DE2249269A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der massendichte von fluessigkeiten - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichttmg zur Messung der Massendichte von Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Massendichte von Flüssigkeiten. Insbesondere ist dabei an Lösungen gedacht, deren Massendichte als indirektes Maß ihrer Konzentration verwendet wird. Als charakteristische Anwendung dieses Massendichte-Meßverfahrens sollen die Ermittlung des Zuckorgehaltes des Traubensaftes bei Tranubenabnahme-Stationen und die Steuerung der Konzentration von Lösungen in chemischen Prozessen gelten.
• Als Folge des rauhen Betriebes kommen für diese Zwecke nur sehr robuste Anlagen infrage.
• Es sind mehrere Gattungen von Geräten für die Bestimmung des Zuckergehaltes von wässerigen Lösungen und insbesondere von Traubensäften bekannt. Die eine basiert auf der Messung des optischen Brechungsindex, eine andere auf der Ermittlung der Massendichte des Traubensaftes. Ein weiteres Verfahren beruht auf der Änderung des Schwingungsverhaltens eines mit der Flüssigkeit gefüllten, einseitig fest eingespannten Röhrchens.
• Benu.tzt man den optischen Brechungsindex zur Bestimmung des Zuckergehaltes, so ist eine gründliche Reinigung nach jeder Messung von entscheidnder Bedeutung. Schon geringfügige Spuren von Maischeresten können zu einer Verfälschung des Meßergebnisses fiihren. Diese Reinigung ist bei dem meist stoßartigen Betrieb nicht immer durchführbar. Bei Meßgeräten, welche die Massendichte messen, sind nichtautomatische und automatische Waagen bekannt. Gemessen wird entweder das Gewicht eines bestimmten Volumens der zu untersuchenden Flfissigkeit, oder der Aufs eb eines durch die zu untersuchende Flüssigkeit überschwemmten "Schwimmers".
• Weiter sind Waagen bekannt, welche mit Hilfe einer Vorbelastung nur die Differenzen zwischen der Massendichte der zu untersuchenden Flüssigkeit und jener einer Bezugsflüssigkeit, z.B. von Wasser, ermitteln. Die genannten Meßgeräte arbeiten im allgemeinen sehr genau, z.B. bis 1,000 Teilungen im Dichte-Bereich von 1 bis 1,05 ( relative Massendichte, Massendichte des Wassers = 1); sie sind aher sehr empf-indlich gegen Schrägstellung Erschütterungen und Schläge. Thre hohe Genautgkeit kann in vielen Fällen, beispielsweise bei der Untersuchung von Traubensäften, gar nicht ausgenutzt werden, da diese nur ein angenähertes Bild der Charge zu liefern brallcht.
• Bei der schwingungstechnischen Messung wird ein als Meßfühler dienendes, von der Fliissigkeit durchströmtes, einseitig eingespannt es Röhrchen durch eine Schwindung mit konstanter Frequenz zu Schwingungen angeregt. Gleichzeitig wird die Frequenz der tatsächlichen Schwingungen gemessen. Die Differenz zwischen Erreger-Frequenz und der Frequenz der tatsächlichen Schwingungen des Meßfühlers liefert ein Signal, welches der Massendichte proportional ist. Bei diesem Gerät ist zwar das Ergebnis unabhängig vom Druck der füllenden Flüssigkeit, auch weist es eine sehr einfache Konstruktion auf und ist leicht in eine vorhandene Leitung einzubauen. Der Leitungsquerschnitt ändert sich indessen stark im Zusammenhang mit dem einseitig eingespannten Schwinger, wodurch das Meßorgebnis verfälscht wird. Ferner ist das Ergebnis in hohem Maße abhängig von der Temneratur des Schwingers. Von er-Heblichem Nachteil ist außerdem, daß sich zwischen dem Mantel und dem koaxialen Rohrabschnitt eine tote Kammer bildet, die mit stehender Flüssigkeit gefüllt ist. Da sich in dieser Kammer in der Flüss;keit etwa schwebende Feststoffe absetzen, bleibt die Anwendung des Gerätes auf reine oder feststoffarme Flüssig keiten begrenzt. Für die Ermittlung des Zuckergehaltes von Traubenmaische ist es nicht verwendbar.
• Aufgabe der Erfindung ist die Verwirklichung eines auf der Bestimmung der Massendichte beruhenden Meßverfahrens und Meßgerätes fix Flüssigkeiten, die Feststoff-Teilchen mitführen, insbesondere für Traubenmaische. Die Genauigkeit kann sich in verhältnismäßig bescheidenen Grenzen halten, z.B. 200 Teilungen im Bereich der Massendichte 1 - 1,1. Erwünscht sind ferner: Vollautomatischer Betrieb, Fernanzeige des Resultats in Form einer digitalen Angabe und möglicherweise Aufzeichnung des Resultats. Das Gerät muß außerdem, da es für einen rauhen Betrieb bestimmt ist, von einer extremen Robustheit sein. Ferner wird eine gtlte Reinigungsmöglichkeit verlangt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Massendichte einer Flüssigkeit besteht darin, daß ein mit der Flüssigkeit gefülltes Rohr zu bis zur Resonanz-Frequenz gesteigerten Querschwingungen angeregt und die Resonanz-Frequenz mit der des evakuierten Rohres verglichen wird.
• Das Rohr wird zweckmäßigerweise aus elastischem Werkstoff, z.B. Stahl, hergestellt. Unter gewissen Umständen ist auch Keramik als Rohrmaterial geeignet. Die Flüssigkeit wirkt als Zusatzmasse des Schwingungssystems und beeinflußt als solche die Resonanz-Frequenz des Scharingungssystems. Das Schwinnlngssystem ist an einem oder zwei Schwingungsknoten unmittelbar oder über elastische Rohrabschnitte mit dem Gestell und den Zuleitungen verbunden, um störende Kopplungen zwischen den letztgenannten Teilen und dem Meßsystem zu vermeiden. Als Vergleichsmaßstab gilt die Resonanz-Frequenz, die ein vollkommen evakuiertes oder mit reinem Wasser gefülltes Rohr aufweist.
• Zum Aufschaukeln der Schwingungen bis zur Resonanz-Frequenz ist es erforderlich, daß die Energiezufuhr genau im Takt der Eigen-Schwingungen des schwingenden Systems erfolgt. Dies wird dadurch bewirkt, daß selbsterregte - z.B. durch einen Anst-on oder eine Erschütterang erregte - Querschwingungen des Rohres zur Erzeugung einer E.M.K. benutzt werden, die ihrerseits eine auf das Rohr rückwirkende Wechselspannung so steuert, daß dem Rohr eine in gleicher Phase und Frequenz laufende zusätzliche Schwingung aufgedrückt wird, die sich nach einiger Zeit zu Resonanz-Schwingungen aufschaukelt und bei Erreichen der erwünschten Amplitude diesen Schwingungszustand aufrecht erhält. Man braucht dann lediglich die Frenquenz des eingespeisten Wechselstroms im Verhältnis zur entsprechenden Frequenz des leeren oder mit reinem Wasser gefüllten Rohres zu messen und erhält einen Maßstab für die Konzentration einer Lösung bzw. für den Zuckergehalt einer Traubenmaische.
• Die Steuerung der Wechsel spannung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Als zweckmäßig hat sich erwiesen, daß die vom schwingenden Rohr erzeugte E.M.K. einem Verstärker zugeführt und der vom Verstärker abgegebene Strom zusammen mit einem konstanten Strom an eine Spule weitergeleitet wird, welche im Takt der Schwingung auf das Rohr einwirkt und seine Schwingung solange verstärkt, bis eine Sättigung des Verstärkers erreicht ist, und es dann auf dieser Frequenz hält. Nach einem anderen Gedanken der Erfindung kann die Schwingungsanfachung als Maß für die durch die Füllung erzeugte Verstimmung des Schwingungssystems benutzt werden.
• Die Schwingungen können in mehreren Ebenen erfolgen. Ee ist Jedoch vorteiiaft, wenn das Schwingungssystem so ausgebildet wird, daß alle Teile des schwingenden Systems in einer einzigen Richtung ( Querrichtung ) zum Schwingen gebracht werden. Ist diese kusbildung des Schwingungssystems nicht vollkommen mUglich, so lassen sich schrägschwingende Teile mit anderen schrägschwingenden Teilen kompensieren, Bei Verwendung eines U-förmigen Rohres, dessen Schenkel mit den Enden in ein gemeinsames Anschlußstück eingespannt sind, als schwingendes System, ist es von Vorteil, wenn die geradlinigen, parallelen Teile im Gegentakt zum Schwingen angeregt werden. Dadurch werden Rückwirkungen auf das Gestell und die Meßeinrichtungen, welche das Meßergebnis beeinflussen könnten, eliminiert.
• Im folgenden seien nunmehr drei im Aufbau voneinander abweichende Geräte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, anhand verschiedener Abbildungen, beschrieben. Hierbei zeigen Fig. 1 Ein Massendichte-Meßgerät in Form eines einfachen U-Rohres im Längsschnitt mit schematischer Angabe des elektronischen Teils.
• Fig. 2 Die Schwingungsformen des U-Rohres, schematisch.
• Fig. 3 Eine zweite Ausführungsmöglichkeit des Schwingers im horizontalen Längsschnitt.
• Fig. 4 Die gleiche Ausführungsform im vertikalen Längs schnitt.
• Fig. 5 Die Bewegungen des Schwingers, relativ zu den Symetrie-Punkten, bei Ausführung gemäß Figur 1.
• Fig. 6 Die Bewegungen des Schwingers, relativ zu den Symetrie-Punkten bei Ausführung gemäß den Figuren 3 und 4.
• Fig. 7 Eine weitere Ausführung des Massendichte-Meßgeräts im horizontalen Längsschnitt.
• Fig. 8 Eine Ausführung des Schwingers mit teilweise erweiterten Rohren.
• Fig. 9 Die zu Figur 8 gehörende Schwingungskurve.
• In Figur 1 ist eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Anlage beschrieben. Dabei handelt es sich um eine sehr einfache Ye'rsion, welche sich nur für kleine Durchflußmengen unter kleinem Druck eignet. Ein rundes dünnwandige, U-förmig abgebogenes, durch die zu messende J'lüssigkeit gefülltes Rohr 2 ist zweimal in einem massiven Gestell 1 eingespannt und durch elektromechanische Organe 5, 15, 23, 33; 6, 16, 26, 36 und 45 in selbsterregter Schwingung gehalten, wobei ein Auswertungsgerät 46 die Frequenz dieser selbsterregten Schwingung (praktisch die Resonanzfrequenz dieses Resonators) in ein Maß umwandelt, welches der Massendichte der ZU messenden Flüssigkeit proportional ist.
• Es seien nun die Einzelheiten der Figur 1 näher beschrieben.
• Das mechanische System der Figur 1 ist symetrisch um die Zeichnungsebene und um die Achse AA. Ein massives Gestell 1 mit sehr großer Masse gegenüber den übrigen Teilen, weiet zwei parallele Bohrungen 3 und 4 auf. Diese Bohrungen haben auf der einen Seite Ausweitungen 13 und 14. Ein dünnwandiges Rohr 2 geht durch die Bohrungen 3 und 4 des Gestelles und ist darin eingespannt durch ringförmige Schweiß- oder Hartlötverbindungen 23 und 24. Die Ausweitungen 13 und 14 dienen dazu, die Höhe der Einspannstellen 23 und 24 zu beschränken. Die Einspannstellen teilen das Rohr 2 in drei Teile; auf der rechten Seite befinden sich die zwei geraden Abschnitte 12 und 22 verbunden durch den halbkreisigen Teil 32, auf der linken Seite die zwei Anschlustellen 42 und 52. Das Rohr 2 ist - wie schon gesagt - dünnwandig (z.B. 0,1 bis 0,5 mm dick bei einem Durchmesser von 3 bis 10 mm). Es kann beispielsweise aus Invarstahl, rostfreiem Stahl, Bronce, Alluminiumlegierungen bestehen. Die Länge des Rohres auf der rechten Seite der Einspannstellen kann 10 bis 30 cm betragen. Die Flüssigkeit die das Rohr füllt, kann im Massendichtebereic,8 bis 2 (g/cm3) liegen. Die Masse des gefüllte Rohres rechts der Einspannstellen 23 und 24 kann somit rund 2 bis 40 g betragen.
• Das Rohr 2 rechts von der Einspannstelle 23 und 24 wird durch später beschriebene elektronische Mittel in symmetrische Querschwingungen in der Grundschwingungsform versetzt. Diese Schwingungen sind in guter Annäherung ebene Schwingungen in der Zeichnungsebene, symetrisch um die Achse AA, mit harmonischen Auslenkungen der verschiedenen Teile des Rohres 2 in einer zur Achse AA orthogonalen Richtung. Man darf davon ausgeben, daß jeder Punkt eines Querschnittes (im ringförmi,xen Rohr-Querschnitt und im kreisförmigen FlüssigkeitsqIersc3initt) eine und dieselbe Auslenkung erfährt. Die Schwingung ist somit durch die Auslenkung z (P) jedes Punktes P-der Achse R des Rohres 2 (Figur 2) beschrieben. Die Achse R schwankt harmonisch zwischen der Form R1 und der Form R2. Unter Vernachlässigung des halbkreisförmigen Abschnittes 32 verlaufen die Auslenkungen der zwei gradlinigen Abschnitte 12 und 22 in Funktion einer Koordinate a längs der Achse AA wie die Auslenkungen zweier, an ihren Enden eingespannter, querschwingender Stäbe.
• Bei der Figur 2 und bei der boschr:iebcnen Anlage wurde angenommen, daß das Rohr in der symmetrischen Grundschwingungsform schwingen soll. In diesem Falle ist die Auslenkung z maximal in einem Querschnitt, der etwas rechts von der Mitte der Abschnitte 12 bzw. 22 liegt. Unter Vernachlässigung des halbkreisförmigen Abschnittes 32 wäre das Maximum genau in der Mitte der Abschnitte 12 und 22. Die Neigung von R1 und R2 gegenüber RO ist in den Einspannstellen 23, 24 und im Zentrum des halbkreisförmigen Stückes 32 Null, die Krummung ist hingegen bei diesen Stellen am größten. Abgesehen vom Druck, in dem die Flüssigkeit sich befindet, hängt die Schwingungsfrequenz einerseits von der Form und von den physikalischen Eigenschaften des Rohres 2, andererseits von der Massendichte der Flüssigkeit ab.
• Die Abhängigkeit der Frequenz von der Geometrie und von den physikalischen Eigenschaften des Rohres 2 bei der Bezugstemperatur ist nur interessant für die Festlegung des im Betrieb vorkommenden Frequenzbandes. Wichtiger ist die Abhängigkeit der Frequenz von der Massendichte der Flüssigkeit bei der Bezugstemperatur, da sie die Auflösung der gemessenen Werte bestimmt.
• Um diese zweite Frage ohne Formalismus zu beantworten, kann man ausgehen von einem Schwinger, bestehend aus einem homogenen elastischen Stab mit denselben elastischen Eigenschaften wie das leere Rohr 2 und mit derselben Nasse pro Längeneinheit wie das volle Rohr0 Bekanntlich lautet die Gleichung für die Schwingungsfrequenz eines solchen homogenen Stabes: (1) mit k = einer Konstante /Ut = Masse pro Längeneinh.
• Nun ist das gefüllte Rohr der erfindungsgemäßen Anlage nichts anderes als eine Zusammensetzung von unelastischer Flüssigkeit und elastischer Hülse bzw. eine Zusammensetzung zweier längs des Schwingers in konstantem Verhältnis stehender, sich gleich querbewegender Massen. Das gefüllte Rohr kann also angesehen werden als ein ideeller Stab mit den konstanten elastischen Eigenschaften des reellen Rohres 2 und einer Masse pro Längeneinheit /ut welche gleich der Summe der Massen des Rohres /Ur und der Flüssigkeit /Uf pro Längeneinheit ist.
• /ut = /Ur + /Uf (2) Betrachtet man nun einen Rohrabschnitt, in den eine Volumeneninheit der Flüssigkeit (z.B. 1 cm) enthalten ist, bzw. vervendet man diese Länge als Längeneinheit in den Gleichungen (1) und (2) dann können die Größen /ur /Ufw /Ut wie folgt definiert werden: /Ur = Masse eines leeren Rohrabschnittes (von Länge 11) in dem eine Volumeneinheit der Flüssigkeit enthalten ist; /Uf = Masse der Flüssigkeit pro l1, d.h. (wegen der Definition von 11) Masse der Flilssigkeit pro Volumeneinheit, d.h. auch Massendichte der Flüssigkeit.
• /Ut = Masse eines gefüllten Rohrabschnittes (von Länge l1) in dem eine Volumeneinheit der Flüssigkeit enthalten ist.
• Aus den Formeln (1) und (2) kann man nun die Einwirkung der Flüssigkeit auf die Frequenz bei der Bezugstemperatur wie folgt formulieren: Die Resonanzfrequenz' des Systems ist umgekehrt proportional zur Summe der Massendichte der Flüssigkeit und der Masse eines Rohrabschnittes, dessen Inhalt gleich der Volumeneinheit ist.
• Mit sehr dünnen Rohren aus Al-Legierungen und Fliissigkeiten mit Massendichten nach zu 1 g/cm3 (wie das Wasser) kann lur c /Uf gehalten werden, so daß bei einer 111000 relativen Änderung der Massendichte die Flüssigkeit eine relative Änderung von µt in Werte Von # 1/2000 und eine relative Frequenzänderung in Werte von # 1/4000 erzielt werden kann. Die Empfindlichkeit der vorgeschlagenen Anlage kann-demnach ziemlich hoch sein.
• Nachstehend seien die elektromechanischen Mittel beschrieben, durch welche das gefülite Rohr 2 in Schwingung gehalten und das Resultat ausgewertet wird.
• Für die Erregung einer Schwingung in der symmetrischen Grundform von Figur 2 sind ein Geschwindigkeitsfühlersystem 5, 15, 25, 3,5 von Achse BB und ein Kraftgebersystem 6, 16, 26, 36 von Achse CC, sowie ein Verstärker 45 zwischen den zwei genannten Systemen vorgesehen. Am Rohr 2 sind kleine "Pillen" 25, 35 und 26, 36 aus weich ferromagnetischem Material (z,B Ferroxcubo der Philips) angeklebt. Ein Arm 11 des Gestells 1 trägt die Spulen 15 und 16, welche je einen weich ferromagnetischen Kern 5 bzw. 6 aufweisen. Die zwei genannten Systeme sind nahe beieinander und ungefähr in der Mitte der geradlinigen Abschnitte 12 bzw. 22 angebracht. Wenn das Rohr 2 in der erwünschten Form ( Fig. 2 ) und bei der erwünschten Frequenz schwingt, so entfernen bzw. nähern sich die zwei "Pillen" 25 und 35 harmonisch vom Kern 5 der Spule 15.- Diese Bewegung erzeugt eine harmonische E.M.K. g Frequenz in der Spule 15.
• Der Verstärker 4,5 iht am Ausgang einen Strom ab, welcher der gefühlten E.M.K. proportional ist, und dieser harmonische Strom wird zusammen mit einem konstanten Strom der Spule lS zugeleitet, weiche eine harmonische Kraft zwischen den "Pillen" 26, 36 im Takt mlt der Schwingung erzeugt. Die E.M.K. in der Spule 15 ist in Phase mit der Geschwindigketi der "Pillen" 25 und 35 bzw.
• der Rohrteile 12 und 22. Wenn der Verstärker 45 eine genügende Bandbreite aufweist, d.h. keine Phasenverschiebung verursacht, ist der Strom durch die Spule 16 und somit die Kraft auf die Pillen 26 und 36 ebenfalls in Phase mit der Geschwindigkeit der Rohrteile 12 und 22, was eine Bedingung ist, damit die Verluste der Resonanzschwingung kompensiert werden. Ist nun der Verstärker 45 mit einer genügend hohen Verstärkung und mit einer passenden Begrenzung versehen, so schwingt tatsächlich das System auf, bis die Sättigung des Verstärkers eintritt, Danach bleibt die Schwingungsamplitude konstant. An Stelle der Sättigung kann auch ein Amplituden-Regelsystem für die konstante Schwingungsamplitude sorgen.
• Der Speisestrom der Spule 16 erzeugt in dieser eine Spannung, welche auch auf das Auswertungsgerät 46 übertragen wird. Dabei wird nicht die Phase oder die Amplitude, sondern nur die Frequenz ausgewertet. Ausgehend von den Formeln (1) und (2) kann man schreiben k µf = - µr = k' T0² - µr (3) #0² Abgesehen vom Skalafaktor k' und von der Konstanten jur soll das Auswertungsgerät 46 die gesuchte Meßgröße als Quadrat der Periode T0 der Resonanzschwingungen von der Kreisfrequenz #0 errechnen, was sowohl analog als auch digital mit an sich bekannten Mitteln gut und bequem zu realisieren ist. Ebenfalls bekannt ist die Möglichkeit, die zwei Funktionen (die der Fühlung der Geschwindigkeit tind die der Erzeugung einer Kraft ) über eine einzige Spule zu verwirklichen. Diese Spule muß dann bekanntlich einen Teil einer Briickenschaltung bilden, wobei Eingang und Ausgang eines Verstärkers isber die zwei Diagonalen dieser Brücke angeschlossen werden milssen. Ferner ist an sich bekannt die Möglichkeit, höhere Schwingungsformen als in Figur 2 dadurch zu, erregen, daß die Spulen zur Krafterzeugung und zur Geschwin,digkeitsfühlung in die Nähe eines gewünschten Schwingtmgsbauches verlegt werden.
• Durch die wechselnde eJastischo Verformung des Rohres wird die Geometrie der Flüssigkeit dauernd verändert. Dies verursacht Scherungsbewegungen in der Flüssigkeit, die zu Verlusten führen.
• Der dadurch hervorgerufene Dämpfungseffekt nimmt bei einem gewissen Rohrquerschnitt umgekehrt proportional zu der Länge des Schwingers bzw. der Wellenlänge der Schwingung ab. Es lohnt sich also bei einer gegebenen maximalen Baulänge Schwingungen in der Grundform bei dünnen Rohren anzuwenden. Dies ist aber nur bis zu einem gewissen Grad möglich, weil der Dicke der Rohre eine untere praktische Grenze gesetzt ist und relativ dickwandige Rohre zu Anlagen mit kleinerer Empfindlichkeit führen. Es kann aber eine Konstellation von Parametern gewählt werden, bei welcher die Resonanzschärfe für die Genauigkeits-Anforderung groß genug ist, bzw.
• die Verluste klein genug sind. Als Folge der möglichen Ab,weichung zwischen Schwingungsfrequenz und natürlicher Res Resonanzfrequenz kann ein Fehler von etwa 1/1000 bzw. 1/10000 im Resultat (als Frequenz) bei einer Resonanz-Überhöhung von 100 bzw. 1000 auftreten.
• Weitere Mittel zur Erhöhung der Resonanzschärfe als die Regel der möglichst großen Schlankheit werden später angegeben. Auch die Temperatur kann die Messung beeinträchtigen. Von der Meßapparatur aus betrachtet, kommen die Wärmedehnung α r und die Anderung des E-Moduls des Rohres ß r als störende Größen in Frage. Diese Größen sind berechenbar und können apparativ berücksichtigt werden, um eine "kompensierte" Massendichte zu ermitteln.
• Die auf einem "reduzierten" Wärmedehnungs-Koeffizienten beruhende Kompensation der Temperatur-Einwirkung ist jedoch kompliziert und daher nicht erwünscht. Es wird deshalb vorgeschlagen, diese Schwierigkeit dadurch zu umgehen, daß das Rohr aus Invarstahl αr = o) hergestellt wird. In diesem Fall wird die Resonanzfrequenz einen rohrbedingten Temperatur-Koeffizienten ßr/2 aufweisen, gemäß welchem die Apparatur kompensiert werden muß. Hierbei kann aus der bei einer willkürlichen Temperatur ermittelten Massendichte /Uf einer willkürlichen Flüssigkeit die korrekte Massendichte µf0 bei der Bezugstemperatur #0 wie üblich errechnet weden: Hierin bedeuten zur di e bei der Temperatur erhaltene Massendichte; der Wärmedehnungs-Koeffizienten der Flüssigkeit; die Temperatur, bei der gemessen wurde und die Bezugstemperatur der Flüssigkeit und der kompensierten Massendichte.
• Die in Figur 1 dargestellte Anlage arbeitet befriedigen mit folgende@ Einschränkungen: 1. Das Gestell @ (3 ß relativ gssit bzw. das Meßrohr 2 im Verhältnis zum Gestell sehr leicht sein, was bedeutet, daß die Durchflußmenge durch kleine Rohrdurchmesser beschränkt ist, 2. Die durch die Flüssigkeit hervorgerufene Dämpfung kann für die Qualität tier Messung einschränkend sein.
• 3. Die Temperatur-Einflüsse sind wohl berechenbar, aber nicht kompensiert 4. Der Druck der Flüssigkeit muß klein sein bzw. kann die Genauigkeit der Messung besinträchtingen.
• Es sollen nun Verbesserungen beschrieben werden, die diese Einschränkungen überflüssig machen.
• In Figuren 3 und 4 wird eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Meßsystems gezeigt, bei welcher dem Gestell keine allzu große Anforderungen (Masse!) gestellt sind und das Meßresultat, dank einer Temperaturkompensationsvorrichtung, t emparaturunabhängig gemacht wird Ein Rohr 2 ist zweimal eingespannt in einem Verbindungsstück 7 über die Einspannstellen 33 und 34 und ebenfalls zweimal in einem Gestell 1 über die Einspannstellen 23 und 24 und einmal fest verbunden mit dem Stück 60 über eine Einspannstelle 63G Die Rohrabschnitte 62 und 72 sind halbkreisförmig gebogene Der Rohrabschnitt rechts der Einspannstellen 33 und 34 besteht aus zwei fast geraden, divergierenden Abschnitten 12 und 22, sowie aus einem fast halbkreisförmigen Abschnitt 32. Das System 12, 22, 32 soll quer schwingen in einer zur Achse AA orthogonalen Richtung (in der Ebene der Figur 3) und zwar in der Grund form. Die elektrischen Mittel dazu sind identisch mit jenen der Figur 1 und tragen dieselbe Nummerierung. Die zwei Spulen 15 und 16 sind getragen durch einen Träger 17, von annähernd der Form eines Dreiecks, der am Verbindungsstück 7 befestigt ist0 Das Verbindungsstück 7 trägt zwei Schieber 8 und 9, die durch je eine Schraube 18 bzw. 19 eingestellt werden können. Zwischen den Schiebern 8, 9 und zwei Augen 64 und 65 des Stückes 60 sind zwei Federn 28 und 29 gespannt. Eine gegenüber dem Schwinger kleine Justiermasse 61 ist in einem"elastischen" G;ewinde des Stückes 60 geführt und kann in der senkrechten Richtung der Figur 3 eingestellt werden. Schließlich sind flelastischeV1 Schrauben 37 und 47 in zwei Gewinden 38 und 48 des Verbindungsstückes 7 geführt, und können in der senkrechten Richtung der Figur 3 eingestellt werden. Das Ganze ist von einem Gehäuse 10 umschlossen, welches durch das Gestell 1 getragen wird.
• Das Gestell 1 hat in diesem Fall. die Gestalt eines Deckels und weist eine Bohrung 31 für den Durchgang von elektrischen Verbindungen vom Innern des Gehäuses 10 nur auf eine montierte Steckdose 41 auf. Der Verstärker 45 kann im Gehäuse zwischen der Steckdose 41 und den Spulen 15 bzw. 16 oder außerhalb liegen. Daher wurde er in Figur 3 und 4 nicht gezeicknet. Die Funktion der verschiedenen Teile sollen nun beschrieben werden. Dadurch, daß das Gestell 1 nicht mehr allzu massiv gegenüber dem Schwingungssystem zu sein braucht, macht sich eine'saubere Trennung" zwischen Schwingungssystem 12, 22, 32 und Gestell 1 in Form einer Trennmasse (Verbindungsstück 7) und einer weichen Verbindung (Hohrabschnitte 62 und 72) notwendig. Fiir symmetrische, senkrechte Bewegungen des Schwingungssystems entstehen auf das Verbindungsstück 7 Kräfte, deren Rest tierende keine senkrechte Komponente aufweist. Unsymmetrien der Anordnung verursachen hingegen Resultierende mit einer senkrechten Komponente Da die Masse von 7 größer als die des Systems 12, 22, 32 ist, sind die dadurch erzeugten Bewegungen von 7 schon kleiner als die unsymmetrischen Bewegungen des Systems 12, 22, 3?. Diese Bewegungen vom Verbindungsstück 7 fiihren - dank den weichen Verbindungen 62 und 72 - zu ganz kleinen Kräften auf das Gestell 1. Somit ist die Trennung zwischen Schwingungssystem 12, 22, 32 und Gestell 1 hinsichtlich der senkrechten Schwingungen gewährleistet.
• Darüberhinaus kann aber die Symmetrie des Systems durch Einstellung der Massen 37 und 47 und 61 verbessert werden.
• Auch ein um AA symmetrisches Schwingungssystem wie jenes der Figur 1 (12,22,32) erzeugt bei senkrechten Schwingungen horizontale Kräfte im Takt mit der Schwingung. Sie sind durch das halbkreisartige Stück 32, das sich schräg bewegt, hervorgerufen (Figur 5). Solange das Gestell 1 sehr viel schwerer als die übrigen Stiicke ist, spielen diese Kräfte auf 1 keine Rolle.
• Im Falle von Figur 3 aber sollen diese horizontalen Kräfte auf das Gestell 1 klein gehalten werden, damit die Masse der übrigen fremden Teile des Rohrleitungssystems keinen Einfluß auf die Resonanzfrequenz hat. Nun aber bewirken das Verbindungsstück 7 und die weichen Rohrabschnitte 62 und 72 eine Ausfilterung gegenüber dem Gestell 1 auch für diese horizontalen Kräfte.
• Dariiber hinaus wurden die zwei "fast" geraden Rohrabschnitte 12 und 22 etwas divergierend angeordnet, damit sie (Figur 6) auch schräge Schwingungsbewegungen ausführen, welche die Auswirkung der schrägen Schwingungsbewegungen des halbkreistförmigen Rohrabschnittes 32 kompensieren.
• Es ist bekannt, daß Schwinger mit großer Amplitude auch Wechselkräfte von doppelter Frequenz als die Schwingung erzeugen.
• Da aber diese Kräfte bei kleiner Amplitude unbedeutend werden, ist eine Bekämpfung dieses Effektes durch Verminderung der Amplitude möglich.
• Zur Temperatur-Kompensation wurde der Schwinger 12, 22, 32 mit den Zugfedern 28, 29 unter Druck gesetzt. Dadurch wurde die Schwingungsfrequenz herabgesetzt. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung werden die Federn 28, 29 so gewählt, daß sie einen gegenüber dem Material des Rohres 2 viel höheren Temperatur-Koeffizienten des E-Moduls aufweisen. Werden sie jetzt mit Hilfe der Einstellschrauben 18 und 19 richtig vorgespannt, so variiert bei Temperaturänderungen - bei fast unveränderter Einfederungder durch die Federn erzeugte Druck auf den Schwinger, und diese Änderung kompensiert die Temperaturabhängigkeit des eigentlichen Schwingers 12, 22, 32. Sollen dabei die Federn 28 und 29 einen Temperatur-Koeffizienten des E-Moduls mit demselben Vorzeichen (nämlich negativ) wie das Rohr 2 aufweisen, so müssen sie den Schwinger drücken und nicht ziehen, um die angestrebte Temperatur-Kompensation zu erzeugen.
• Zusammenfassend sei bemerkt, daß mit der Ausführung nach den Figuren 3 und 4 eine Temperatur-Kompensation sowie eine gute Trennung zwischen Schwinger und Gestell, bzw0 eine Erleichterung in den Anschlußbedingungen erreicht wurde.
• Eine Möglichkeit, den Einfluß des Flüssigkeitsdruckes auf das Meßresultat zu eliminieren, ist in Figur 7a schematisch dargestellt. Darin wurden die Mittel zur elektrischen Erregung nicht gezeichnet.
• Das Schwingungssystem ist gebildet durch die zwei Leitungsabs@@nitte 12 und 22, schwingunstechnisch verbunden durch die Verbindungsstücke 21 und 50. Die Leitungsabschnitte 12 und 22 sind miteinander verbunden durch den Abschnitt 32. Gegebenenfalls sind die Abschnitte 12, 22, 32 aus einem einzigen Rohr hergestellt. Die Leitungsabschnitte 12 und 22 sind huber die Leitungsabschnitte 62 und 72 und über das Verbindungsstück 50 mit dem äußeren Leitungssystem verbunden. Die Leitungsabschnitte 62 und 72 sind wellenförmig und somit weich in Jeder Richtung.
• Zusammen mit dem Verbindungsstück 50 bilden sie ein Massen-Feder-?'efpaßfilter, gegenüber dem Gestell 1, dessen Funktion schon beschrieben wurde. Das Verbindungsstück 21 ist iiber eine Zugstange 11 ebenfalls mit dem Gestell 1 verbunden. Die Zugstange ist in Richtung quer zu AA weich und bildet mit der Masse des Verbindungsstückes 21 ein weiteres Massen-Feder Tiefpaßfilter mit der gleichen Wirkung wie die Stücke 62, 72 und 50, diesmal allerdings nur fiir Schwingungen in Richtung quer zu AA.
• Zwischen den Verbindungsstücken 21 und 50 sind möglicherweise Federn 43 und 44 - in Figur nur schematisch dargestellt - gespannt, deren Funktion die Temperaturkompensation sein soll, wie schon beschrieben Wesentlich für die Figur 7 ist nun die Anordnung der Parallelschaltung der harten Zugstange 11 mit der Kasakadenschaltung der harten Rohrabschnitte 12 und 22 zusammen mit den weichen Rohrabschtltten 62 und 72, deren Ziel die Vermeidung einer Versteifung der schwingenden Abschnitte 12 und 22 unter dem Druck der Flüssigkeiten in den Rohren ist, wodurch die Meßeinrichtung drucknabhängi g wird.
• Steht die Flüssigkeit unter einem Druck p, so wird die Zugstange 11 mit einer Kraft 2 Ap gezogen, wobei A der Querschnitt des Rohres in den Abschnitten 12, 22 und 32 bedeutet.
• Die Abschnitte 12 und 22, welche in 21 mit dem Gestell 1 timer die Zugstange 11 hart verbunden sind, erfahren über 50 keinen Zug in Richtung AA, sofern die Abschnitte 62 und 72 eine passende Form und Größe aufweisen. Dafür ist. notwendig daß der Querschnitt a der Abschnitte 62 und 72 kleiner als der Querschnitt A der Abschnitte 12 und 22 ist. In diesem Falle (siehe Figur 7 a) übt der Druck p auf das Stück 50 eine Kraft von rechts nach links im Werte von 2 (t - a) n aus, welche durch die entgegengesetzte Resflltierende der Kräfte auf die im Gestell eingespannten Rohrabschnitte 62 und 72 ausgegli;-chen werden muß. Die Natur dieser Kräfte seS für den Abschnitt 62 näher untersucht. Steht ein gebogenes Rohr unter dem Druck seiner füllenden Flüssigkeit, so entsteht in indem zur krummen Achse normalen Abschnitt eine Kraft auf das Rohr proportional zum Rohrdurchmesser und umgekehrt proportional zum Krümmungsradius . All diese Kräfte wirken so auf den Abschnitt 62, daß, wenn das rechte Ende frei wäre, das Rohr sich "strecken" wairde, bis seine elastischen Kräfte das oben genannte Dnicki-räftesystemausgeglichen hätten. Ist es hart angeschlossen, so erzeugt das Rohr eine Kraft gegen das Stück 50 - von links nach rechts -welche nun gleich und entgegengesetzt der Kraft 2 ( A ; a) p, ausgeübt von der Flüssigkeit auf das Stück 50 gewählt werden kann. Der Fachmann kann die Bedingungen fiir diese Gleichung stellen. Ist das Rohr 62 weniger gebogen, so, ist seine "Streckneigung" kleiner, ist es als tiefere Welle ausgebildet, so ist seine Streckneigung (also die Kraft auf 50) größer. Somit kann die optimale Kompensation innerhalb gewisser Grenzen durch Verbiegung der Abschnitte 62 und 72 experimentell gesucht werden.
• Nun können aber die schematisch dargestellten Temperaturkompensationsfedern 43 und 44 dadurch ersetzt werden, daß man die zwei Leitungsabschnitte 62 und 72 aus einem anderen Material herstellt als die Abschnitte 12 und 22 und sie nach Maßgabe der verschiedenen Temperatur-Koeffizienten des E-Moduls vorspannt.
• Bei der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich folgende Vorteile: 1. Als Anlage ohne bewegliche Teile ist sie einfach, robust, schlagfest, zuverlässig und billig.
• 2. Als Anlage basierend auf der elektrischen Messung einer Frequenz ist sie geeignet für den automatischen Betrieb und die Fernmeldung.
• 3. Als Anlage mit durchgehender Meßkammer, möglischerweise konstantne Querschnitts, ist sie so wenig, wie überhaunt möglich, der Gefahr der Verschmutzung ausgesetzt.

Claims (16)

Patentansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Massendichte einer Flüssigkeit, rchekennzeichnet, daß ein mit der Flüssigkeit gefblltes Rohr aus elasti.schem Wnrkstof.f in bis zur Resonanzfrequenz gesteigerte Querschwingungen versetzt wird, wohei diese Flüsigkeit als Zusatzmasse des Schwingungssystems wirkt, und daß diese Resonanfrequenz in einem Auswertesystem mit der des evakuierten Rohres verglichen und in eine Anzeige der Massendichte umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seibsterregte, z.B. durch einen Anstoß oder eine Erschutterung erregte, Querschwingungen des Rohres zur Erzeugung einer E.M.K. benutzt erden, die ihrerseits eine auf das Rohr rückwirkende Wechselspannung so steuert, daß dem Rohr eine in gleicher Phase und Frequenz schwingende zusätzliche Schwingung aufgedrückt wird, die es zu Resonanzschwingungen aufschaukelt, und daß dann die zur dauernden Aufrechterhaltung der Resonanzschwingungen erforderliche, mit der Resonanzschwingung synchrone Wechsel-Spannung im Auswertegerät gemessen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom schwingenden Rohr erzeugte E.M.K einem Verstärker zugeführt und der vom Verstärker erzeugte Strom zusammen mit einem konstanten Strom einer Spule zugeleitet wird, welche im Takt der Schwingung auf das Rohr einwirkt und seine Schwingung solange verstärkt, bis eine Sättigung des Verstärkers erreicht ist, und es dann auf der erreichten Schwingungs-Amplitute hält.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Schwingungssystems in einer einzigen Richtung (Querrichtung) zum Schwingen gebracht werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß schrägschwingende Teile des Schwingers mit anderen schrägschwingenden Teilen kompensiert werden.

6. Verfahren nach den Anspriichen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein U-förmiges Rohr mit den freien Enden der Schenkel in einem gemeinsamen Anschlußstiick eingespannt und die geradlinigen parallelen Rohrabschnitte im Gegentakt zum Schwingen angeregt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch aekennzeichnet, daß das Schwingungssystem aus zwei parallelen, geraden, zylindrischen Rohren ( 12,22 ) besteht, deren Enden durch in Richtung der Schwingungen starre Teile miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der AnsprÜche 1 bis 6, dadurch'gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem aus zwei parallelen, geraden Rohrabschnitten ( 12,22 ) besteht, welche eine zentrale, starre Ausweitung (20) und zwei dünne, federnde Anschlußteile (39, 49) aufweisen, deren Enden durch in Richtung der Schwingungen starre Teile miteinander verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungssystem aus einem in einem massiven Gestell (1) oder Verbindungsstück (7) zweimal eingespannten U-förmig abgebogenen Rohr (2) besteht, dessen Hauptteile (12,22) parallel oder - zur.

Kompensation der schrägen Bewegungen des kreuzen Teiles (32) - leicht divergierend angeordnet sind.

11). Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwlngungssystem (12,22,32) durch eine Temperaturkompensatlonsfeder oder ein Temperaturkompensationsfedersystem (28,29) oder (43,44) mindestens zum großen Teil unter temperaturabhängigem Druck gehalten wird, wobei der Temperaturkoe'ffizient der Temperatrkompensationsfedern dasselbe torzeichen wie jener des Schwingungssystems aufweist.

11. Vorrichtung nach-den hnsertichen 7 bis 10, dadurch gekemnzeichnet, daß der Schwinger aus Invar-Stahl besteht.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 9 bis t1, dadurch gekennzeichnet, daß das eigentliche Schwingunssystem (12,22,32) durch ein Filter (Trennmasse 7 bzw. 50) und weiche Verbindungen ( 62,72 ) mit dem Gestell (1) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 71, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere quer zur Achse AA einstellbare kleine Massen ( 37,47,6f ) mit dem Schwinger zwecks Symmetrisierung derselben verbunden sind.

14, Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus elastischem Material bestehender Teil eines Leitungssystems als weitgehend von den Eigenschaften der angeschlossenen Teile unabhängiges Schwingungssystem ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach' einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des Schwingers hart, die andere Seite weich über dünnere, krumme, Trennungsstücke ( 62, 72 ) mit dem Gestell (1) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennungsstücke ( 62, 72 ) aus einem anderen Material bes-tehen als die Stücke ( 12, 22 ), welche den eigentlichen Schwinger bilden und daß sie unter Vorspannung stehen.

L e e r s e i t e