DE1623069C - Vorrichtung zum Messen der Dichte eines Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Dichte eines Mediums mit einem rohrförmigen Körper aus elastischem Material, mit einer Einrichtung zum Erregen von natürlichen Schwingungen im rohrförmigen Körper durch elastische Verformung und mit einer auf die Schwingungen ansprechenden Einrichtung, die ein der Schwingung entsprechendes Signal erzeugt. Eine Vorrichtung der beschriebenen Art ist beispielsweise aus der Fachzeitschrift »Control«, März 1961, S. 113, bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist der rohrförmige Körper in Form eines Tastkopfes oder Abtastrohres ausgebildet, das in das Medium, dessen Dichte gemessen werden soll, eingetaucht wird. In vielen Fällen, insbesondere in Industriebetrieben, muß die Dichte eines strömenden Mediums gemessen werden, ohne daß dabei die Strömung gestört wird. Für diesen Zweck ist ein Tastkopf nicht geeignet. Weiterhin kann ein Tastkopf von Turbulenzen und von festen Gegenständen beschädigt werden, die möglicherweise von dem Strömungsmedium mitgenommen werden.

Bei einem Verfahren zum Messen der Dichte mit der bekannten Vorrichtung wird das zu messende Medium sowohl mit der inneren Oberfläche als auch mit der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Körpers in Berührung gebracht, so daß an dem Körper keine Druckdifferenz angreift, die den Körper entweder dehnen oder zusammenziehen könnte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Messen der Dichte von Medien zu schaffen, die zwar das obige Meßverfahren ausnutzt, jedoch die mit dem bekannten Tastkopf verbundenen Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der rohrförmige Körper in einer Kammer angeordnet ist, daß die Kammer eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung für das zu messende Medium aufweist, welche sowohl über eine erste Leitung, gebildet von der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Körpers und der inneren Oberfläche der Kammer als auch über eine zweite Leitung, die, gebildet von der Innenfläche des rohrförmigen Körpers und einer Öffnung am einen Ende des rohrförmigen Körpers in die erste Leitung mündet, miteinander in Verbindung stehen.

Durch diesen Aufbau wird der rohrförmige Körper durch eine Kammer geschützt, und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einer zur Hauptströmungsleitung parallel geführten Meßströmungsleitung angeordnet werden. Ferner wird durch das Vorhandensein der ersten und zweiten Leitung sichergestellt, daß sowohl die innere Oberfläche als auch die äußere Oberfläche des rohrförmigen Körpers dem Strömungsmedium ausgesetzt sind, so daß kein Differenzdruck entsteht und daß die Vorrichtung durchströmende Medium nicht ins Stocken gerät.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben.

F i g. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 zeigt die natürlichen Glockenschwingungen des im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 verwendeten rohrförmigen Körpers;

F i g. 3 zeigt weitere Formen der natürlichen Glockenschwingungen des im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 benutzten rohrförmigen Körpers;

I·' i g. 4 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 5 ist ein Querschnitt durch die Ausführungsform nach F i g. 4 längs der Linie 10-10'.

In der F i g. 1 ist ein Dichtemesser zum Messen der Dichte eines Gases gezeigt. Ein zylindrisches Rohr 11 aus ferromagnetischem Material, ist innerhalb einer Kammer 12 angeordnet, die mit einem Einlaßkanal 13 und einem Auslaßkanal 14 versehen ist. Die Strömungsrichtungen des Gases während des Betriebes sind durch Pfeile, beispielsweise die Pfeile 15, angegeben.

ίο Die zylindrische Rohrwand 16 des Rohres 11 endet in einem mit ihm aus einem Teil bestehenden Flansch 17, der mit Schiebesitz in die Kammer 12 eingesetzt ist und zwischen einem Verkleidungsteil 18 für die Kammer 12, an dem er angeschweißt ist, und einem Verstärker 19 angeordnet ist. Der Verkleidungsteil 18 und der Verstärker 19 sitzen ebenfalls mit Schiebesitz in der Kammer 12. An den Enden der Kammer 12 sind fest eingepaßte Abschlußplatten 20 und 21 vorgesehen.

Ein zylindrischer Stützkörper 25 aus wärmehärtbarem Harz, der an eine Metallplatte 24 gebunden ist, ist innerhalb des Rohrs 11 koaxial angeordnet. Ein Flansch an der Metallplatte 24 wird mittels eines Sicherungsringes 25, der in einen am Rand des Flansches 17 befindlichen Ansatz mit Innengewinde geschraubt ist, gegen den Flansch 17 gedrückt. Ein Dichtungsring 26 sorgt für einen gasdichten Verschluß zwischen der Metallplatte 24 und der inneren Oberfläche des Rohrs 11.

Eine Antriebsspule 27 und eine Aufnahmespule 28 sind derart in den Stützkörper 23 eingebettet, daß ihre Achsen senkrecht zueinander und senkrecht zur Längsachse des Rohrs 11 stehen. Der Stützkörper 23, die Antriebsspule 27 und die Aufnahmespule 28 berühren die Innenwand des Rohrs 11 nicht, damit das Rohr schwingen kann, ohne an den Stützkörper 23 und die Spulen 27 und 28 anzustoßen. Zuleitungen 29 und 30 vom Ausgangsschaltkreis des Verstärkers 19 sind durch eine Führung 31 in den Stützkörper 23 geführt, und nicht gezeigte Zuleitungen von der Aufnahmespule 28 sind durch eine weitere Führung 32 zum Verstärker 19 geführt. Die Führungen 31 und 32 verlaufen innerhalb von Isolierhülsen 33 und 24 durch die Metallplatte 24.

Eine Metallröhre 25 erstreckt sich von der Abschlußplatte 20 durch den Verstärker 19 und die Metallplatte 24 bis in den Stützkörper 23, in dem eine weitere Metallröhre 36 vorgesehen ist, die mit' der Metallröhre 35 in Verbindung steth. Die Achse der weiteren Metallröhre 36 liegt parallel zur Achse der Aufnahmeso spule 28, und ihre Enden sind offen, so daß ein von der Metallröhre 35 kommendes Gas in den Raum zwischen dem Stützkörper 23 und dem Rohr 11 strömen kann. Kleine runde Löcher (nicht gezeigt) in der Rohrwand 16 in der Nähe des Flansches 17 ermöglichen einen Gasstrom aus dem Raum innerhalb des Rohrs 11 in den Raum zwischen dem Rohr 11 und dem Verkleidungsteil 18.

Ein abgeschirmtes vieradriges Kabel 37 ist durch die Abschlußwand 20 zum Verstärker 19 geführt. Zwei Leitungen dieses Kabels dienen zum Anschließen einer Gleichspannungsquelle 28 an den Verstärker 19 und die anderen beiden Leitungen zum Anschließen des Ausgangsschaltkreises des Verstärkers an einen Freciuenzmcsser 39. Die Abschirmung des Kabels 37 ist mit der Kammer 12 und entsprechenden gemeinsamen Leitern des Verstärkers 19 und des Frequenzmessers 39 elektrisch verbunden.
Während des Betriebs strömt Gas vom Einlaßkanal

3 4

13 durch einen Filter 40 zur Metallröhre 35. Bevor das det, die aus Frequenzen zusammengestellt ist, die

Gas die Kammer 12 durch den Auslaßkanal 14 ver- man beim Erregen des mit Gasen mit Standarddichten

läßt, wird es durch einen weiteren Filter 41 geleitet. gefüllten Rohrs 11 erhält.

Jeder der beiden Filter 40 und 41 enthält einen mit Die Wirkung des Gasdrucks auf die vorherrschende

Außengewinde versehenen Körper mit einem Durch- 5 Frequenz der Schwingungen des Rohrs 11 ist vernach-

gang, der mit einem Durchgang, der mit einer Masse lässigbar, weil das Gas sowohl innen als auch außen

aus gesintertem Metallpulver gefüllt ist. Der Filter 40 vom Rohr 11 strömt. Druckdifferenzen in axialer Rich-

ist im einen Ende der Metallröhre 35 und der Filter 41 tung des Rohrs 11, die mit dem Strömen des Gases in-

in einem rohrförmigen Ansatz 42 am Verkleidungsteil nerhalb und außerhalb des Rohrs 11 verbunden sind,

18 verschraubt. Das in den Raum zwischen dem Stütz- io werden etwa auf gleiche Größe gebracht, so daß längs

körper 23 und der Rohrwand 16 der Metallröhre 36 der Rohrwand 16 und der Endplatte 44 im wesentlichen

her einströmende Gas entweicht aus diesem Raum keine Druckunterschiede ausgebildet werden, d. h., der

durch die kleinen, obenerwähnten Löcher in der Rohr- Differentialdruck, der auf denjenigen Bereich des

wand 16 und durch eine runde Öffnung 43 in der End- Rohrs ausgeübt wird, der mit dem Gas in Berührung

platte 44 des Rohrs 11 an dem vom Flansch 17 ent- 15 ist, wird im wesentlichen konstant auf Null gehalten,

fernten Ende. Die runde Öffnung 43 ist gegenüber dem Daher ist die Frequenz der natürlichen Glockenschwin-

Stützkörper 23 koaxial angeordnet, damit das Gas an gungen das Rohrs 11 in erster Linie von der Dichte des

allen Punkten des Raums zwischen der Endplatte 44 durch das Dichtemesser strömenden Gases abhängig,

und dem Stützkörper 23 in gleicher Weise strömen kann. Die Wirkung von Temperaturänderungen des Rohrs 11

Für gasdichte Verschlüsse der Kammer 12 sorgen 20 kann durch Verwendung von geeignetem Material für

Dichtungsringe 45, 46, 47, 48 und 49. Die Dichtungs- das Rohr 11 für einen brauchbaren Arbeitsbereich

ringe 48 und 49 werden durch Scheiben 50 und 51 in klein gemacht werden.

den Abschlußplatten 20 und 21 gehalten. Die Scheiben In einem Dichtemesser nach der F i g. 1 kann die

50 und 51 sind in die Abschlußplatten 20 und 21 einge- Wandstärke der Rohrwand 16 ζ. Β. 0,05 mm betragen,

schraubt und mit mittleren Öffnungen versehen. Durch 25 Die ferromagnetische Legierung, aus der das Rohr 11

die mittlere Öffnung der Scheibe 51 ragt der Ansatz 42 besteht, ist eine Eisen-Nickel-Chrom-Legierung. Sie

und durch die mittlere Öffnung der Scheibe 50 die besitzt die folgende Zusammensetzung:

Metallröhre 35 Das Kabel 37 ist durch eine weitere _{Nickd (mit KobaU) 41 Q bis 43 500/}

Öffnung in der Scheibe 50 gefuhrt. _Chrom 4 90 bis 5 75°

Die Antriebsspule 27 und die Aufnahmespule 28 30 Titan 220 bis 2 75°/

sind mit entsprechend zusammengesetzten Kernen 52 Aluminium ".'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'.'. θ',3Ο bis 0,m» °₀

und 53 versehen. Jeder Kern 52, 53 enthalt einen Kohlenstoff 0,06 max. °/₀

zylindrischen Permanentmagneten, der mit Weich- Mangan 0 08 max °/

eisenpolschuhen ausgerüstet ist und dessen Länge etwa Silicium 100 max °/

gleich einen Siebenteil der Länge jedes Polschuhs ist. Da 35 QrW_Pf_Pi n'fu m«' 0/

.... _t λ ± · 1 1 λ« 11 Ai·* OCIl YYCl Cl \J-\J*t 111Ο.Λ. In

die Achsen der Antriebsspule 27 und der Aufnahme- Phosohor 0 04 max °/

spule 28 senkrecht zueinander angeordnet sind, be- Eisen Rest

steht zwischen diesen beiden Spulen nur eine geringe

direkte Kopplung. Der Verstärker 19 ist ein Transistorverstärker übli-

Während des Betriebs werden natürliche Glocken- 40 eher Bauart, der in ein wärmehärtbares Harz, oder eine Schwingungen des Rohrs 11 erregt und durch die Keramik, eingebettet ist und einen Tiefpaßfilter aufRückkopplung von der Aufnahmespule 28 über den weist, dessen Grenzfrequenz unterhalb der 2. Harmo-Verstärker 19 zur Antriebsspule 27 aufrechterhalten. nischen der höchsten natürlichen Glockenschwingung Die Schwingungen werden durch einen auf das Rohr 11 liegt, die beim Betrieb erwartet wird. Die vorherrübertragenen mechanischen Stoß oder durch elektrische 45 sehende Frequenz der Schwingungen ist bei diesem Rauscheffekte in der Antriebsspule 27 beim Einschal- Ausführungsbeispiel die 1. Harmonische, d. h. die ten des Verstärkers 19 eingeleitet. Die Endplatte 44 und Grundschwingung.

der Flansch 17 sind ausreichend dick, so daß während Obgleich das bisher beschriebene Ausführungsbei-

der Schwingungen an den Enden des Rohrs 11 Knoten spiel einen rohrförmigen Hohlkörper mit kreisförmi-

gebildet werden. Die F i g. 2 und 3 zeigen mögliche 5° gem Querschnitt hat, können andere Ausführungsbei-

Schwingungsformen und die F i g. 2 die Grund- spiele Hohlkörper aufweisen, die keinen kreisförmigen

Schwingung. Die durchgezogenen Linien zeigen den Querschnitt haben.

ungestörten Schnitt durch die zylindrische Rohrwand Das in der F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann 16 des Rohrs während der natürlichen Glocken- mit einem rohrförmigen Körper nach der F i g. 5 ausschwingungen, die in den F i g. 2 und 3 gezeigt sind. 55 gestattet werden, wobei der Stützkörper 23 durch einen In der Praxis können die natürlichen Glockenschwin- in der F i g. 4 gezeigten Stützkörper 23' ersetzt wird, gungen eine Kombination der in den F i g. 2 und 3 der jedoch zusätzlich die Metallröhren 35. und 36 entgezeigten Schwingungsformen oder weiterer Schwin- hält, die in F i g. 1 gezeigt sind. Die Gleichspannungsgungsformen sein. quelle 38 zum Herstellen einer Vormagnetisierung

Die vorherrschende Frequenz der natürlichen Glok- 60 mittels einer Vormagnetisierungswicklungen 97 können

kenschwingungen des Rohrs 11 wird mit dem elek- zusammen mit einem Verstärker in der gleichen Weise

frischen Frequenzmesser39 gemessen. Die Frequenz wie der Verstärker 19. im Ausführungsbeispiel der

des Stroms, der der Antriebsspule 27 zugeleitet wird, F i g. 1 eingekapselt sein. Derr.ohrförmige Körper ent-

ist gleich der Frequenz der vorherrschenden Schwin- hält hier ein flaches Rohr 90 aus ferromagnetischem

gungen des Rohrs 11. Der Frequenzmesser 39 üblicher 65 Material mit zwei ebenen Wandabschnitten 91 und

Bauweise kann in dem beim Betrieb des Dichtemessers ■ zwei gekrümmten Wandabschnitten 92. Das eine Ende

erwarteten Bereich arbeiten und direkt in Dichteein- des Rohrs 90 ist durch eine mit einer Öffnung 43 ver-

heiten geeicht sein, wenn man eine Eichkurve verwen- sehene ebene Endplatte 93 abgeschlossen. Die Wand-

abschnitte 91 liegen einander parallel gegenüber. Beim Betrieb werden mit Hilfe einer Anordnung, die eine Antriebsspule 94, und zwei Aufnahmespulen 95 und 96 enthält, natürliche Glockenschwingungen des Rohrs

90 erregt. Die Achsen der Spulen 94, 95 und 96 liegen in einer Ebene, die auch die Längsachse des Rohrs 90 enthält und senkrecht zu den Wandabschnitten 91 verläuft, und stehen außerdem senkrecht zur Längsachse des Rohrs 90. Jede der Spulen 94, 95 und 96 enthält eine Vormagnetisierungswicklung 97 und eine Antriebs- bzw. Aufnahmewicklung 98, die auf einen isolierenden Wicklungsträger gewickelt sind. Für die Spulen 94, 95, 96 sind außerdem Weicheisenkerne vorgesehen, in denen beim Betrieb mittels der Vormagnetisierungswicklungen 97 diejenigen Polaritäten erzeugt werden, die in der F i g. 4 mit den Buchstaben N und S entsprechend einem Nord- oder Südpol angegeben sind. Zwei Magnetshunts 99 aus Weicheisen dienen dazu, die Aufnahmespulen 95 und 96 vom Magnetfeld der Antriebsspule 94 abzuschirmen.

Durch die Polaritäten der Aufnahmespulen 95 und 96 wird eine weitere Abschirmung erreicht, da ihre Vormagnetisierungsfelder durch die Wandabschnitte

91 des Rohrs 90 unter Bildung eines magnetischen Kreises gekoppelt werden. Drei Gleichspannungsquellen (nicht gezeigt) sind mit den drei Vormagnetisierungswicklungen 97 verbunden, wozu (nicht gezeigte) Leiter in den Stützkörper 23' aus wärmehärtbarem Kunstharz eingebettet sind.

Der Ausgangsschaltkreis eines (nicht gezeigten) Verstärkers ist mit der Antriebswicklung 98 der Antriebsspule 94 und der Eingangsschaltkreis dieses Verstärkers mit den Aufnahmewicklungen 98 der Aufnahmespulen 95 und 96 verbunden. Natürliche Glokkenschwingungen des Rohrs 90 werden angeregt und durch Rückkopplung von den Aufnahmewicklungen 98 der Aufnahmespulen 95 und 96, die auf die Schwingungen der Wandabschnitte ansprechen, durch den Verstärker zu den Antriebswicklungen 98 der Antriebsspule 94 aufrechterhalten.

Ein Vorteil des in F i g. 5 gezeigten Rohres 90 mit nichtkreisförmigem Querschnitt besteht gegenüber dem Rohr 11 mit kreisförmigem Querschnitt darin, daß die vorherrschende Frequenz der natürlichen Glockenschwingungen der Rohre mit nichtkreisförmigem Querschnitt empfindlicher für Änderungen der Dichte ist.

Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung können Einrichtungen zum Anregen natürlicher Glockenschwingungen in den rohrförmigen Körpern 11, 90, z. B. magnetostriktive oder mechanische, durch Stoß wirksame Einrichtungen, vorgesehen sein, mit denen gedämpfte Schwingungen angeregt werden, die man abklingen läßt und für jede Frequenzmessung erneut anregt.

Andere Einrichtungen zum Anregen natürlicher Glockenschwingungen in rohrförmigen Körpern 11, 90 können elektrische Oszillatoren mit einstellbarer Frequenz enthalten, deren Ausgang mit dem rohrförmigen Körper 11,90 gekoppelt ist. Diese Oszillatoren können zum direkten Ablesen der Dichteeinheiten geeicht sein. Beim Betrieb wird die Frequenz des Oszillators so lange variiert, bis eine Einrichtung zum Messen der Amplitude der Schwingungen des rohrförmigen Körpers 11, 90 ein Amplitudenmaximum anzeigt. Die diesem Maximum zugeordnete Frequenz ist die vorherrschende Frequenz der natürlichen Glockenschwingungen.

Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen natürliche Glockenschwingungen erregt werden, besteht auch die Möglichkeit, andere natürliche Schwingungen, z. B. natürliche Transversal-, Longitudinalschwingungen oder Biegeschwingungen, anzuregen. Außerdem können auch an Stelle der vorherrschenden Frequenz andere Frequenzen der natürlichen Schwingungen gemessen werden, die durch die besondere Bau- und Betreibsweise gegenüber Änderungen der Druckdifferenzen unempfindlich sind.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Dichte eines Mediums mit einem rohrförmigen Körper aus elastischem Material, mit einer Einrichtung zum Erregen von natürlichen Schwingungen im rohrförmigen Körper durch elastische Verformung und mit einer auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung, die ein der Schwingung entsprechendes Signal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (11, 90) in einer Kammer (12) angeordnet ist, daß die Kammer (12) eine Einlaßöffnung (13) und eine Auslaßöffnung (14) für das zu messende Medium aufweist, welche sowohl über eine erste Leitung, gebildet von der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Körpers (11, 90) und der inneren Oberfläche der Kammer (12), als auch über eine zweite Leitung, die, gebildet von der Innenfläche des rohrförmigen Körpers ((H, 90) und einer öffnung (43) am einen Ende des rohrförmigen Körpers (11,90), in die erste Leitung mündet, miteinander in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (90) ein Rohr mit zwei ebenen Wandabschnitten (91) ist, die einander parallel gegenüberstehend angeordnet sind und deren Breite größer als ihr Abstand ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Körper (90) aus ferromagnetischem Material besteht, daß die Einrichtung zum Erregen der Schwingungen eine innerhalb des Körpers (90) befestigte Antriebsspule (94) enthält, deren Achse die Längsachse des Körpers (90) senkrecht schneidet, daß die auf die Schwingungen ansprechende Einrichtung zwei Aufnahmespulen (95, 96) enthält, deren Achsen parallel und symmetrisch zur Achse der Antriebsspule (94) und in einer die Längsachse des Körpers (90) enthaltenden Ebene angeordnet sind und die mit Vormagnetisierungswicklungen (97) ausgerüstet sind, deren Vormagnetisierungsfelder durch die Wandabschnitte (91) unter Bildung eines magnetischen Kreises gekoppelt sind, daß zum Abschirmen der Aufnahmespulen (95, 96) von der Antriebsspule (94) im Raum zwischen der Antriebsspule (94) und den Aufnahmespulen (95, 96) Magnetshunts (99) vorgesehen sind und daß die Achsen aller Spulen (94, 95, 96) die Ebene der Wandabschnitte (91) senkrecht durchsetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen