DE2319001A1

DE2319001A1 - Temperaturkompensiertes vibrationsdensitometer und vorverstaerker zu dessen betrieb

Info

Publication number: DE2319001A1
Application number: DE2319001A
Authority: DE
Inventors: Gerald Lance Schlatter
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1972-04-17
Filing date: 1973-04-14
Publication date: 1973-11-08
Also published as: JPS5230868B2; CA969266A; JPS4928376A; FR2180880A1; GB1423631A; FR2180880B1; NL7305396A; IT983924B; US3795136A

Description

Deutsche ITT Industries GmbH G.L. Schlatter 9/9X

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19 Mo/ra

11. April 1973

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Temperaturkompensiertes Vibrationsdensitometer und Vorverstärker zu dessen Betrieb

Die Prioritäten der Anmeldungen Nr. 244 800 und 289 770 vom 17. April und 18. September 1972 in den Vereinigten Staaten von Amerika werden beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein temperaturkompensiertes Vibrationsdensitometer und einen Vorverstärker zu dessen Betrieb.

Aufgrund der Tatsache, daß Vibrationsdensitometer normalerweise TemperaturSchwankungen unterworfen sind und zu ihrem Betrieb mechanische Schwingungen erforderlich sind, ist ihre Temperatur- und Rauschunempfindlichkeit besonders wichtig. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Forderungen zu erfüllen. Diese

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Aufgabe wird von der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst..

Weiterbildungen und Aus führ ungs formen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nun zusammen mit der Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines nach der Erfindung aufgebauten Densitometers,

Fig. 2 zeigt das schematische Schaltbild des in Fig. 1 gezeigten Vorverstärkers,

Fig. 3 zeigt die'perspektivische Ansicht einer Densitoraetersonde, die entsprechend der Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Sonde von Fig. entlang der Linie 4-4, -

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von Bestandteilen der in Fig. 3 gezeigten Sonde,

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt der Anordnung von Fig. 5 entlang der Linie 6-6,

Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt eines Teils der in Fig. 3 gezeigten Sonde,

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 4 durch einen Teil der Halterung eines elektrischen Anschlusses, der anderweitig bezüglich der Sonde befestigt ist,

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Fig. 9 zeigt eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht der in Fig. 4 gezeigten Ausnehmung des piezoelektrischen Kristalls und

Fig. 10 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Fig. 4.

In Fig. 1 ist die Sonde 10* dargestellt, die den magnetostrik-· tiven Antrieb 104, die Schwinge 20' und den piezoelektrischen Kristall 30* enthält.

Die Sonde 10* kann mit einer der Sonden der älteren Vorschläge der eigenen Patentanmeldungen P 21 41 397.8 und P 22 49 206.4 identisch sein. Aus der Beschreibung der älteren Vorschläge ergeben sich weitere Einzelheiten im Hinblick auf die Anwendungsmöglichkeiten, so daß hier auf nähere Einzelheiten nicht eingegangen wird_r die der Beschreibung der älteren Vorschläge entnommen werden können. Gleiches gilt für die eigene ältere Anmeldung P 22 15 625.8.

Der Ausgang des Kristalls 30' ist mit dem Vorverstärker 10 verbunden, von dem der Verstärker 107, der Rechteckwellenwandler 108, das Abgleichfilter 109, der Verstärker 110'und der Rechteckwellenwandler 111 zu der Differenzierschaltung 102 führen-. Die Ausgänge der Differenzierschaltung 102 sind mit dem Synchrondetektor 112 und der Linearisierungsschaltung 100 verbunden. Der Synchrondetektor 112 erhält auch ein Eingangssignal vom Ausgang des Verstärkers 107 über die Zuleitung 113. Der Ausgang des Synchrondetektors 112 steuert den zwischen der Linearisierungsschaltung 100 und der Verbraucheranordnung 115 eingefügten Schalter 114. Mit dem Eingang des Verstärkers 107 ist der Oszillator einstellbarer Frequenz verbunden. Zwischen dem Rechteckwellenwandler 108 und dem Synchrondetektor 112 ist die Selbstanlauf-

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Schaltung 117 angeordnet, über die Leitung 119 wird das Ausgangssignal des Rechteckwellenwandlers 108 an den Phasendetektor 120 angelegt. Dieser erhält ein zweites Eingangssignal vom Ausgang des Rechteckwellenwandlers 111 über die Leitung 121. Die Filterfrequenz-Steuerschaltung 122 liegt zwischen dem Ausgang des Phasendetektors 120 und dem Steuereingang des Abgleichfilters 109. Die Ausgangsleitung 123 der"Filterfrequenz-Steuerschaltung 122 liefert sowohl den Steuereingang des Abgleichfilters 109 als auch dessen gefilterten Ausgang.

Zwischen dem Ausgang des Verstärkers 110 einerseits und einem anderen Ausgang des Abgleichfilters 109 andererseits und dem Antrieb 104 liegt der Treiberverstärker 124. Der Vorverstärker IO enthält eine Differenzierschaltung, deren Ausgangssignal gegen das Ausgangssignal des Kristalls 30' um 90° phasenverschoben ist. Das Ausgangssignal des Abgleichfilters 109, das dem Verstärker zugeführt ist, ist ebenfalls gegen das vom Rechteckwellenwandler 108 kommende Eingangssignal des Abgleichfilters 109 um 90° phasenverschoben. Diese beiden Phasenverschiebungen um 90°,die sich im Vorverstärker 10 und im Abgleichfilter 109 ergeben, ermöglichen es, den Ausgang des Treiberverstärkers 124 mit dem Antrieb 104 in einer Weise zu verbinden, daß Resonanz erhalten wird. Dies bedeutet, daß die Schwinge 20' auf ihrer natürlichen Resonanzfrequenz durch Speisung des Antriebs 104 mit einer mit dem Ausgang des Kristalls 30' phasengleichen niveauverschobenen Wechselspannung angetrieben wird. Der im Antrieb 104 fließende Strom kann ein niveauverschoberier Sinusstrom sein; er fließt jedoch immer nur in einer Richtung.

Der Oszillator 116 wird bei der Eichung verwendet. Die Selbstanlauf-Schaltung 117 wird verwendet, um einen Selbstanlauf zu gewährleisten. Der Synchrondetektor 112 veranlaßt den Schalter 114, den Ausgang der Linearisierungsschaltung 100 auf einem konstanten Wert festzuhalten, falls eine Resonanz nicht auftritt.

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Die VerbraucheranOrdnung 115 kann irgendeine der verschiedenartigen Ausführungsformen annehmen. Läßt der Schalter 114 das Ausgangs signal der Lineari s ierungs schaltung 100 durch,- so ist dieses Ausgangssignal direkt proportional der Dichte des Strömungsmittels, in das die.Sonde 10' eingetaucht ist. Die Verbraucheranordnung kann daher ein Volt- oder Amperemeter sein, das im Bedarfsfalle in Dichte geeicht werden kann. Die Verbraucheranordnung kann auch ein Prozeßregler o. ä. sein.

Das Abgleichfilter 109 und die Linearisierungsschaltung 100 ' können falls gewünscht mehrere Bereiche haben, was bedeutet, daß die Resonanzvibration der Schwinge 20' irgendwo innerhalb von zwei oder mehreren Bändern auftreten kann, die davon abhängen, in was für ein Strömungsmittel die Schwinge 20' eingetaucht ist. In einem solchen Falle ist es wünschenswert, daß die Selbstanlauf-Schaltung 117 ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz nahe oder innerhalb des interessierenden Bandes liegt oder dessen Frequenz sich über das. interessierende Band ändert. Falls gewünscht kann der Frequenzvariationsbereich des Aμsgangssignals der Selbstanlauf-Schaltung 117 von einem zum anderen der Bänder verschoben werden. Wie jedoch noch gezeigt werden wird, kann die Frequenz des Wechselausgangssignals der Selbstanlauf-Schaltung von der untersten Grenze des untersten Bandes zu der obersten Grenze des obersten Bandes des Abgleichfilters 109 allmählich oder stufenweise verändert werden.

Das Densitometer nach Fig. 1 ist mindestens teilweise ein elektromechanischer Schwinger. Der Kristall 30' ist der Aufnehmer, dessen Ausgang verstärkt und dem Antrieb 104 zugeführt wird. Gelegentlich besteht jedoch aufgrund von Leitungsrauschen und anderem die Schwierigkeit, den elektromechanischen Schwinger zu starten. Die Selbstanlaufschaltung 117 startet die Schwinge 20' automatisch bei der der Dichte des Strömungsmittels entsprechenden natürlichen Resonanzfrequenz, in das sie eingetaucht ist.

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Die Selbstanlauf-Schaltung 117 kann zwei;..Oszillatoren enthalten. Hierbei schwingt der eine Oszillator auf einer niedereren Frequenz als die des anderen Oszillators. Die höhere Frequenz ist somit mit einem Sinus, einem Sägezahn oder einer anderen ähnlichen periodischen Schwingung frequenzmoduliert. Wenn die Resonanz erreicht ist, wird die Selbstanlauf-Schaltung 117 durch den Ausgang des Synchrondetektors 112 abgeschaltet.

Der Treiberverstärker 124 erhält ein zusätzliches Eingangssignal über die Leitung 464 vom Abgleichfilter 109. Das Eingangssignal der Leitung 464 stellt die Phase des Wechselanteils des Ausgangssignals des Treiberverstärkers 124 ein und bringt den Wechselanteil unerwarteterweise durch eine einfache Widerstandsverbindung in Phase mit dem Ausgangssignal des Kristalls 30', und zwar über ein Frequenzband von beispielsweise 2 bis 5 kHz.

Entsprechend einem wichtigen Aspekt der Erfindung prägt der Treiberverstärker 124 ein Signal dem Antrieb 104 ein, das einen Wechselanteil enthält, der in Phase mit dem Ausgangssignal des Kristalls 30' ist. Der wesentliche Vorteil dieser Antriebsart besteht darin, daß die Resonanz bei maximalem Wirkungsgrad erfolgt, d. h._r wenn die Ausgangsspannung des Treiberverstärkers einen mit dem Ausgang des Kristalls 30' in Phase befindlichen Wechselanteil aufweist, ist die Ausgangsamplitude des Kristalls 30' ebenfalls ein Maximum. Dasselbe gilt noch mehr, wenn der Wechselanteil von diesem Eingang um ungefähr 70° nacheilt. Diese Phasenverschiebung des Stroms ändert sich nicht wesentlich über den gesamten Frequenzbereich von beispielsweise 2 bis 5 kHz.

Der Treiberverstärker 124 weist auch eine Spannungs- und Stromabweichung (offset) auf. Diese bewirkt, daß der Ausgang des Kristalls 30' dieselbe Frequenz wie der Ausgang des Treiberverstärkers 124 hat. Der Strom im Antrieb 104 fließt immer in eine Richtung, d. h. er ist ein mehr oder weniger pulsierender Gleich-

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strom. Typischerweise ist die Ausgangsspannung des Treiberverstärkers 124 eine Sinusschwingung mit einem Spitzenwert von etwa 25 V, jedoch mit einem Mittelwert von beispielsweise 0,1 bis 0_r2 V.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfaßt Mittel, die den Mittelwert des im Antrieb 104 fließenden Stromes konstant und'unabhängig von deren Impedanz oder deren Widerstand halten. Somit ist zuverlässiges Arbeiten selbst bei Tiefsttemperaturen gesichert. Dies löst das Problem·, daß der Gleichstromwiderstand der in Fig. nicht gezeigten Spule des Antriebs 104 bei Tiefsttemperaturen beträchtlich absinkt.

Unabhängig von dem Vorausgegangenen soll hervorgehoben werden, daß das Densitometer nach Fig. 1 auch auf anderen Anwendungsgebieten als den hier beschriebenen benutzt werden kann. Das Densitometer nach der Erfindung kann zur Lieferung einer analogen Spannung oder eines analogen Stromes verwendet werden, der bzw. die direkt proportional der Dichte eines Gases oder einer Flüssigkeit ist, z. B. für irgendeinen Steuer-, Anzeige- oder anderen Zweck.

Beim Betrieb des Densitometers nach Fig. 1 wird die Eichung durch Einstellen des Oszillators 116 vorgenommen. Der Betrieb beginnt dann, wenn die Anordnung mit Energie versorgt wird. Die Selbstanlauf-Schaltung 117 liefert dann ein Wechselausgangssignal an den Rechteckwellenwandler 108, dessen Frequenz über einen Meßbereich des Instruments veränderlich ist. Wenn die Resonanz gefunden ist, stoppt der Synchrondetektor 112 den Oszillator 117, und das Abgleichfilter 109 folgt dem Resonanzsignal. Der Ausgang des Abgleichfilters 109 wird dem Treiberverstärker 124 über den Verstärker 110 zugeführt, um den elektromechanischen Oszillator zum Schwingen zu veranlassen. Die Schwinge 20' vibriert dann in einer

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ihrer Schwingungsmoden, und zwar bei einer Frequenz, die eine bekannte Funktion der Dichte dessen ist, in was sie eingetaucht ist. Die Linearisierungsschaltung 100 gibt dann eine analoge und der Dichte direkt proportionale Ausgangsspannung bzw. einen, entsprechenden Ausgangsstrom ab, welche(r) über den Schalter 114 der Verbraucheranordnung 115 eingeprägt wird.

Der Schalter 114 kann falls gewünscht eine Nullspannung oder eine andere Spannung oder einen Nullstrom oder einen anderen Strom an die Verbraucheranordnung 115 liefern, und zwar während-solchen Zeiten, während denen keine Resonanz vorliegt. An einer Anzeigevorrichtung kann somit festgestellt werden _r daß die Vorrichtung nicht die richtige Dichte anzeigt. Der Synchrondetektor 112 liefert ein Ausgangssignal, das zum Betätigen des Schalters 114 und zürn Starten und Stoppen der Selbstanlauf-Schaltung 117 dienen kann. ,

In Fig. 2 ist nochmals der Vorverstärker IO gezeigt, wie er mit dem Kristall 30'in Verbindung steht. Die Anschlußleitung 11 des Kristalls 30' ist mit dem Belag 13 des Kondensators 14 und die andere Anschlußleitung 12 mit dem Schaltungsnullpunkt bei 15 verbunden. Der andere Belag 16 des Kondensators 14 ist über den Verbindungspunkt 17 und über die Leitung 19 mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 18 verbunden, der völlig üblicher Art ist. Am Schaltungsnullpunkt bei 15 sind ferner die Verbin- dungspunkte 20, 21 und 22.angeschlossen, welch letzterer über die Leitung 23 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 18 verbunden ist. Ferner sind Verbindungspunkte bei 24 und 25 vorgesehen, wobei zwischen den Verbindungspunkten 21 und der Widerstand 26 und zwischen den Verbindungspunkten 22 und 24 der Kondensator 27 angeschlossen ist, während die Verbindungspunkte 24 und 25 über die Leitung 28 miteinander verbunden sind.

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Das Ersatzschaltbild des Kristalls 30' ist im Prinzip eine Wechselspannungsquelle, die in Serie mit einem Kondensator liegt. Der Kondensator 14 ist ein Gleichspannungssperrkondensator. Die Widerstände 32 und 26 bilden einen Spannungsteiler, der über der Gleichspannungsquelle 41 liegt und dessen Abgriff den Verbindungspunkt 21 bildet. Die Widerstände 32 und 26 bestimmen somit das Glexchspannungsruhepotential des nichtinvertierenden Eingangs des DifferenzVerstärkers 18. Dieser Eingang ist ferner bei 15 auf Masse gelegt.

Der Kondensator 27 wirkt als Nebenschlußkondensator und bildet somit für die Referenzausgangsleitung 44 die Wechselspannungsmasse, so daß ein in der Leitung 44 fließender Wechselstrom nach Masse abgeleitet werden kann, ohne daß dieser den Widerstand 26 durchfließen muß. Der Widerstand 37 ist ein Rückkopplungswider-

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Der Differenzverstärker 18 weist die Versorgungsspannungszuführungsleitungen 29 und 30 auf, die an den Verbindungspunkten 31 bzw. 25 liegen. Der Widerstand 22 liegt.zwischen den Verbindungspunkten 21 und 31. Der Widerstand 37 liegt zwischen den Verbin- j dungspunkten 33 und 34, welch letzterer zusammen mit dem Verbin- ! dungspunkt 35 an der Ausgangsleitung 36 des Differenzverstärkers angeschlossen ist, die ihrerseits wiederum mit der Ausgangsleitung des Vorverstärkers 10 identisch ist. Die Verbindungspunkte 17 und 33 sind durch die Leitung 38 miteinander verbunden, Der Kondensator 39 liegt zwischen den Verbindungspunkten 33 und 35. Ausgehend vom Verbindungspunkt 45 liegen zum Verbindungspunkt 31 hin die Gleichspannungsquelle 41 und die Diode 40 in Serie, wobei die Diode in Richtung auf den Verbindungspunkt 31 hin in Flußrichtung gepolt ist. Der negative Anschluß 43 der Gleichspannungsquelle 41 liegt am Verbindungspunkt 45_r während der positive Anschluß 42 mit der Diode in Verbindung steht. Falls gewünscht kann der Vorverstärker 10 die Anschlußleitung 44 für einen Referenzausgang aufweisen,- die mit den Verbindungspunkten 24, 25 und 45 verbunden ist.

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stand, ebenso wie der Kondensator 39 ein Rückkopplungskondensator ist. Der Widerstand 37 dient dazu, den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 18 exakt auf demselben Mittel-'oder Gleichspannungspotential zu halten wie den nichtinvertierenden Eingang. Ebenso dient der Kondensator 39 dazu, den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 18 exakt auf demselben Wechselspannungspotential zu halten, wie es der nichtinver tierende Eingang aufweist.

Der Widerstand 37 verhindert auch ein Driften des Differenzverstärkers. Der Kondensator 39 bewirkt ferner einen Wechselspannungskurzschluß zwischen den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 18. Der Kristall 30' ist somit wirksam kurzgeschlossen außer für den Kondensator 14, der eine große Kapazität im Vergleich zu der des Kristalls 30* aufweist. Die Eingänge des Differenzverstärkers 18 sind deswegen hinsichtlich Wechselspannung^ wirksam kurzgeschlossen, weil der Kondensator 39 ein Wech— selspannungsausgangssignal dem invertierenden Eingang wieder zuführt. Der Widerstand 37 und der Kondensator 39 bewirken somit eine Gleich.- oder Wechselspannungsgegenkopplung vom Ausgang des Differenzverstärkers 18 zu dessen invertierendem Eingang.

Die Diode 40 dient in einfacher Weise dazu, die Schaltung nach Fig. 2 vor Zerstörung zu schützen ,wenn die Gleichspannungsquelle mit falscher Polarität angeschlossen wird.

Es ist eine hervorstechende Eigenschaft der Erfindung, daß der wirksame Wechselspannungskurzschluß zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers 18, der durch den Rückkopplungskondensator 39 bewirkt wird, es ermöglicht, ein .Ausgangssignal zu erhalten, dessen Ausgangsrauschen um den Faktor 10 niedriger liegt als bei den bekannten Anordnungen. Meßergebnisse haben dies bestätigt, obwohl dieseEigenschaft unerwartet ist und theoretisch nicht er-: klärt werden kann.

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Ein weiterer hervorstechender Aspekt der Erfindung ist die Tatsache, daß das Ausgangssignal des Kristalls 30* nicht so stark Temperatureinflüssen unterworfen ist/ wenn die Schaltung nach Fig. 2 angewandt wird. Dies ist anscheinend deshalb so, weil der Kristall 30* doch tatsächlich kurzgeschlossen ist, wo die Eingänge des Differenzverstärkers 18 kurzgeschlossen sind. Die Temperaturempfindlichkeit des Kristalls 30' ist dann hinsichtlich des Stromes niedriger als sie es hinsichtlich der Spannung ist.

Falls gewünscht können die Bauelemente der Fig. 2 folgende Werte aufweisen:

Diode 40 " 1N914

Kondensator 14 0,01 .uF_r Mylar Amperex C28O MAE/AIOK Widerstand 26 100 kQ., 5 %, 1/4 W, CC Resistor Widerstand 32 100 kjl, 5 %, 1/4 W, CC Resistor Kondensator 27 5 AiF₁. 64 V_r elektrolytisch, Amperex

C426 AR H5

Widerstand 37 4_r7 MH, 5 %, 1/4 W, CC Resistor Kondensator 39 80 pF (Nennwert) Differenzverstärker 18 Operationsverstärker LM301A

(achtbeiniges Dual-in-line-Gehäuse)

Aus dieser Aufstellung geht hervor, daß die Kapazität des Kondensators 39 etwas klein ist. Dies ist jedoch ein Vorteil,weil die Ausgangswechselspannung an der Ausgangsleitung 36 im Prinzip direkt proportional der Ausgangsspannung des Kristalls 30" multipliziert mit der inneren Kapazität des Kristalls 30' dividiert durch die Kapazität des Kondensators 39 ist.

Der erwähnte Wechselspannungskurzschluß des Eingangs des Differenzverstärker s 18 wird dadurch erreicht, daß der Differenzver-

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stärker eine Verstärkung von einigen hunderttauschend aufweist. Sein invertierender Eingang wird deshalb über den Rückkopplungswiderstand 37 und den Kondensator 39 auf dem Potential seines nichtinvertierenden Eingangs innerhalb beispielsweise und - 2 χ 10"⁴ % festgehalten.

Vorzugsweise ist die Kapazität des Kondensators 39 kleiner als die innere Kapazität des Kristalls 30*_f insbesondere ist die Kapazität 39 viermal, achtmal oder noch kleiner als die innere Kapazität des Kristalls 30*_r der eine Nennkapazität von beispielsweise 600 pF aufweisen kann.

Die Schaltung nach Fig. 2 ist vorzugsweise so dimensioniert, daß sie eine Gleichspannungsverstärkung von 1 aufweist.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann der Anordnung nach Fig. 12 der genannten älteren Anmeldung P 22 49 206.4 unter zwei Ausnahmen identisch entsprechen. Die erste Ausnahme besteht darin, daß bei der älteren Anmeldung eine Eingangsschaltung 106 den Vorverstärker 10 ersetzt. Die zweite Ausnahme besteht darin, daß bei der älteren Anmeldung der Ausgang des Rechteckwellenwandlers 108 auch mit dem Eingang der Eingangsschaltung 106 verbunden ist. Diese Verbindung liefert in einfacher Weise eine Leistungseingangsgröße an die Eingangsschaltung. In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird eine solche Versorgung jedoch durch die Gleichspannungsquelle 41 erreicht.

Der Aufbau und die Funktion des Densitometers nach Fig. 1 ist identisch mit dem, wie es in der genannten älteren Anmeldung P 22 49 206.4 beschrieben ist mit Ausnahme der eben erwähnten Abwandlungen, worin auch nähere Einzelheiten und Erläuterungen der einzelnen Schaltungsblocks der Fig. 1 enthalten sind. Hier genügt es hervorzuheben, daß der Antrieb 104 ein magnetostriktiver

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Antrieb ist_r der die Schwinge 2O¹ in Vibration versetzt. Die Schwinge 20* ist rechteckförmig mit einheitlicher Dicke über ihre gesamte Ausdehnung ausgebildet und .an zwei gegenüberliegenden Kanten gehaltert. An der einen Kante ist der Kristall 30' angebracht, der somit periodisch und synchron mit der Schwingung der Schwinge 2O¹ komprimiert wird. Das Ausgangssignal des Kristalls 3O¹ wird dann verstärkt und dem Antrieb 104 über den Treiberverstärker 124 eingeprägt. Die Anordnung nach Fig. 1 ist somit ein elektromechanischer Oszillator, bei dem die Schleifenverstärkung und die Schleifenverzögerung der Aufrechterhaltung der Schwingungen der Schwinge 20^l angepaßt ist.

Wie in der zuletzt genannten älteren Anmeldung erläutert,ist die Eingangsgröße der Linearisierungsschaltung 100 nach Fig. 1 impulsförmig. Die Pulsfrequenz dieses Eingangspulses der Linearisierungsschaltung 100 ist dann^eine Funktion der Dichte eines Strömungsmittels, in das die Schwinge 20' eingetaucht ist. Die Linearisierungsschaltung 100 liefert eine Ausgangsgleichspannung, die direkt proportional der Dichte des Strömungsmittels ist, in das die Schwinge eingetaucht, in dem sie untergetaucht oder in dem sie gehalten ist..

Unter den Begriffen "verbunden sein mit", "angeschlossen sein an" oder "liegen an", wie sie in der vorliegenden Anmeldung verwendet sind, wird verstanden, daß ein Schaltungspunkt mit einem anderen Schaltungspunkt entweder mittels einer leitenden Verbindung oder eines Schaltelementes oder mittels beider verbunden ist. Mit anderen Worten umfaßt das Wort "verbunden" etc. sowohl eine leitende Verbindung als auch eine solche über ein Schaltelement.

Unter dem hier verwendeten Begriff "Densitometer" wird ein Instrument verstanden, das eine zur Anzeige, für Steuerzwecke und ähnliches geeignete Ausgangsgröße abgibt. Der Begriff ist also nicht auf eine visuelle Anzeige derDichte eines Strömungsmittels beschränkt.

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In Pig. 3 ist eine Schwingungsdensitometersonde 10' nach der Erfindung gezeigt, die einen Schaft 11"_f ein Gehäuse 12" an ihrem oberen Ende_r ein röhrenförmiges Bauteil 13" an ihrem unteren Ende und einen elektrischen Anschluß 14" aufweist, der am oberen Ende des Gehäuses 12" mittels der Bolzen 15" befestigt ist. Die ringförmigen Befestigungsteile 16" und 17" umgeben den Schaft 11", damit die Sonde 10" in einem hohlen, zylindrischen Anschlußstück 18" der Rohrleitung 19" befestigt werden kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist.

Nach den Fig. 3 und 4 ist eine Schwinge 20' aus rostfreiem Stahl am Bauteil 13" senkrecht zur Achse eines hohlzylindrischen magnetostriktiven inneren Rohres 21* befestigt. Die Schwinge 2O·¹ kann, wenn gewünscht, auch symmetrisch zur Achse der sie umgebenden äußeren Hülse 22" befestigt sein.

Die Schwinge 20' kann eine rechteckige Platte mit flachen und parallelen oberen und unteren Begrenzungsflächen sein, wie Fig. zeigt, und sie kann andererseits wechselseitig normale Flächen besitzen, die ein rechteckiges Parallelepiped bilden.

Der Schaft 11" umfaßt nicht nur das innere Rohr 21", sondern auch ein magnetisches äußeres Rohr 23". Die auf die Nylonhülse 25" gewickelte Antriebsspule oder Ringspulenwicklung 24" ist fest auf die Außenfläcne des inneren Rohres 21" gepreßt und sitzt in einer Lücke zwischen den Rohren 21" und 23" am unteren Ende des Schaftes 11". Die Spule 24" wird somit fest auf dem inneren Rohr 21" gehalten, obgleich dies für den Betrieb des Gerätes nach der Erfindung nicht unbedingt nötig ist.

Die Schwinge 20' ist zwischen zwei Halbzylindern 26" und 27" gehaltert, wie Fig. 4 und 5 zeigen. Die Längskanten der Schwinge 20' werden zwischen den Halbzylindern 26" und 27" mit einem

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Druck von ζ. B. 14.OOG N/cm zusammengepreßt, da der Aufbau, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, in die Hülse 22" mit einer Preßpassung eingesetzt und die Hülse 22" vor dem Einsetzen erhitzt wird.

Der Halbzylinder 26" hat vier Vorsprünge 28", und der Halbzylin- der 27" hat vier Vorsprünge 29". Die Vorsprünge 28" und 29" sorgen dafür, daß zwischen dem Halbzylinder 26" und dem Halbzylinder 27" eine Längsbewegung der Schwinge 20* nicht möglich ist, obwohl dies aufgrund des Spanndruckes, der auf der Schwinge 20* zwischen den Halbzylindern 26" und 27" lastet, ohnehin unwahrscheinlich ist.

Die Halbzylinder 26" und 27" und die Schwinge 20* können so ausgebildet werden, daß sie eine Aussparung oder eine Mulde zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls 30' aufweisen. Der Kristall 30' hat elektrische Anschlußleitungen 31" und 32", die um die Halbzylinder 26" und 27" herum in den entsprechenden Rillen 33" und 34" zu einem Punkt führen, an dem sie das hohle Innere des inneren Rohres 21" erreichen. Dieser Einlaß ist am unteren Ende des inneren Rohres 21", wie Fig. 4 zeigt, angebracht.

Nach Fig. 5 können die Vorsprünge 28" und 29" einen schmalen Zwischenraum bei 35" aufweisen, damit sichergestellt ist, daß der Druckkontakt der Halbzylinder 26" und 27" auf die Schwinge 20' entsprechend der Preßpassung hoch ist.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist ein Ansatz 36" bei 37" an die Hülse 13" flüssigkeitsdicht angeschweißt. Obgleich das Gerät nach der Erfindung durchaus nicht immer flüssigkeitsdicht sein muß, kann eine Glas-Metallabdichtung oder eine andere Abdichtung im inneren Rohr 21" für die Zuleitungen 31" und 32" angebracht sein. Wenn gewünscht können der Kristall 30' und die Zuleitungen 31" und 32" vor dem Anbringen der Preßpassung in den Rillen 33" und 34" in Epoxydharz eingebettet werden. Nach dem Anbringen der Preßpassunf

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kann die ganze Einheit, wenn sie vollständig zusammengebaut ist, mit einem Bindemittel um die Einzelteile herum im Inneren des Rohres 22" behandelt herden. Jedes herkömmliche Verfahren zum Verkitten kann benutzt werden, wobei man ein Bindemittel benutzen kann, aber nicht muß, das unter dem Namen "Loektite" im Handel ist. '·.■·■

Wie bereits dargelegt,kann der Ansatz 36" an die Hülse 22" bei 37" flüssigkeitsdicht angeschweißt sein. Darüber hinaus kann das äußere Rohr 23" auf den Ansatz 36" aufgeschraubt und flüssigkeitsdicht bei 38" verschweißt sein. Der Ansatz 36" kann somit für alle praktischen Zwecke als fester Bestandteil des äußeren Rohres 23" angesehen werden. Der Ansatz 36" besteht z. B. ebenfalls aus magnetischem Material. Unter dem Begriff "magnetisches Material", wie er hier gebraucht wird, kann jedes magnetische Material fallen, nicht nur rostfreier Stahl. Obgleich das innere Rohr 21" magnetisch ist, muß es auch magnetostriktiv sein.

Das innere Rohr 21" weist einen ringförmigen Vorsprung 39" mit einem Ansatz 40" auf. Das äußere Rohr 23" weist eine untere Bohrung 41" auf, die durch einen ringförmigen Absatz 43" von einer engeren oberen Bohrung 42" getrennt ist. Der Ansatz 40" und der Absatz 43" stoßen zusammen. Vom Ansatz 40" bis zum unteren Ende des inneren Rohres 21" steht dieses immer unter axialem Druck, d. h. es wird komprimiert, sowohl wenn die Spule 24" mit Energie versorgt wird, als auch wenn die Spule 24" ohne Energiezufuhr ist. Die Spule 24" wird mit Sinusstrom versorgt, der lediglich den Kompressionsgrad des inneren Rohres 21" verändert. Der Vorsprung 39" hat ein Loch 44", durch das die elektrischen Zuleitungen der Spule 24" von deren Ort zwischen den Rohren 21" und 23" aufsteigen können.

Die Art und Weise, auf die die Sonde 10' in die Rohrleitung 19" eingebaut ist, wird aus Fig. 7 besser ersichtlich. Man ersieht

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aus Fig. 7_f daß das äußere Rohr 23" einen nach außen sich erstreckenden radialen Vorsprung 45" aufweist, gegen den durch die Befestigungsteile 16" und 17" auf beiden Seiten Gummiringe 46" und 47" gedrückt werden. Der Befestigungsteil 17" ist in das Anschlußstück 18" eingeschraubt und darin durch ein herkömmliches Abdichtmittel 48" abgedichtet, wie in Fig. 4 gezeigt wird. In Fig. 7 erkennt man, daß der Befestigungsteil 16" in das Befestigungsteil 17" bei 49" eingeschraubt ist. Das Ausmaß, mit dem die Gummiringe 46" und'47" zusammengedrückt werden, wird deshalb durch die Stellung des Befestigungsteils 16" bestimmt, d. h. man kann den Befestigungsteil 16" z. B. mittels eines Schraubenschlüssels drehen_r bis die gewünschte Kompression der Gummiringe erreicht ist»

Aus der in Fig. 7 gezeigten Konstruktion erkennt man, daß nur die Gummiringe 46" und 47" das äußere Rohr 23" berühren und daß deshalb der Schaft 11" niemals, weder vom Befestigungsteil 16" noch vom Befestigungsteil 17", berührt wird.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß die Konstruktion der Sonde 10 · so gewählt ist, daß die Zuleitungen der Spule 24" von den Leitungen des Kristalls 30" in einem Teil des Gehäuses 12" magnetisch getrennt gehalten werden, wie noch zu beschreiben ist. Das Gehäuse 12" weist einen Befestigungsteil 50" auf, der auf das äußere Rohr 23" aufgeschraubt ist. Ein Zylinder 51" ist auf das Befestigungsteil 50" aufgeschraubt. Ein Dichtungsring 52" ist genau sitzend eingepreßt und somit bezüglich des Befestigungsteils 50" und des inneren Rohres 21" fixiert. Das obere Ende des inneren Rohres 21" kann an* dem Dichtungsring 52" fest oder gleitend angebracht sein. Vorzugsweise liegt jedoch die Außenfläche des inneren Rohres 21" an seinem oberen Ende fest an der Fläche des Dichtungsrings 52" an, wodurch der Hohlraum abgeschlossen wird. Eine Abschirmung 53" aus magnetischem Material kann um den Befestigungsteil 50" herum durch ein, zwei oder

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mehrere Schrauben 54" befestigt sein. Das äußere Rohr. 23" ._...,„,„._ hat ein radiales Loch 55", durch das die Zuleitungen der Spu-. .Ie 24" gehen. Der Befestigungsteil 50" weist in Verlängerung des Lochs 55" ein Loch 56" auf, durch das ebenfalls die Zuleitungen der Spule 24" gehen. Vom äußeren radialen Teil des Loches 56" verlaufen die Spulenzuleitungen 57" und 58" zwischen den Zylindern 51" und der Abschirmung 53" aufwärts und sind an den Stiften 59" und 60" des elektrischen Anschlusses 14" befestigt, der ein herkömmlicher fünfpoliger Anschluß sein kann.

Wie bereits dargelegt,erstrecken sich die Zuleitungen 31" und 32" des Kristalls 30' aufwärts durch den Innenteil des inneren Rohres 21^H. An dessen oberem Ende sind_r wie Fig. 4 zeigt, die Zuleitungen 31" und 32" am Eingang des Vorverstärkers 10 angeschlossen. Somit verlaufen die Zuleitungen 31" und 32" durch die obere Öffnung des inneren Rohres 21".

Der Vorverstärker 10 kann falls gewünscht auf einer der üblichen · Schaltungskarten montiert sein. Der Vorverstärker 10 kann wenn gewünscht innerhalb der Abschirmung 53" auf übliche Weise oder einfach durch die Stärke der Zuleitungen 31" und 32" oder die der Ausgangslextungen 62" und 63" gehaltert sein, die an den Stiften 64" und 65" des Anschlusses 14" befestigt sind. Die Leitung 66" sorgt für die Erdung zwischen der Abschirmung 53" und dem fünften Stift 65" des Anschlusses 14".

Die Art und Weise, in der der Anschluß 14" am Zylinder 51" befestigt ist, wird in Fig. 8 gezeigt. Es wird nur ein Schraubenbolzen 15" in Fig. 8 gezeigt, da alle Schraubenbolzen 15" in gleicher Weise angeordnet sind. Der Schraubenbolzen 15" weist den Kopf 68", die Unterlagscheibe 69" unter dem Kopf 68", den Gummiring 70" unter der Unterlagscheibe 69" und den Schaft 71" auf, der in den Zylinder 51" eingeschraubt ist. Der zweite Gummiring 72". erstreckt sich ebenso um den Schaft 71" herum. Der

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Gummiring 70" sitzt zwischen der Unterfläche der Unterlagscheibe 69" und dem angesenkten kegelstumpfförmigen Loch 73" des Anschlusses 14". Die Löcher 73" und-74" sind durch die Boh-. rung 75" miteinander verbunden. Aus Fig. 8 erkennt man, daß alle darin gezeigten Elemente schwingen können, daß aber der Anteil der Schwingungen, der auf den Anschluß 14" übertragen wird, ganz gering ist.

In Fig. 9 ist die Ausnehmung 201 gezeigt, in der der Kristall 3Ö¹ befestigt ist. Die Ausnehmung 201 hat einen Bodenflächenteil 202, der ein Teil der Oberfläche des Halbzylinders 26" ist. Ein Teil der Bodenfläche der Ausnehmung 201 ist mit 203 bezeichnet, die Teil der Oberfläche des Halbzylinders 27" ist. Der letzte Teil der Bodenfläche der Ausnehmung 201 ist mit 204 bezeichnet, der Teil der Oberfläche der Schwinge 20' ist. Die Seitenfläche der Ausnehmung 201 kann vorzugsweise zylindrisch sein, falls gewünscht. Diese zylindrische Fläche bildet die Teile 205, 206, und 208, von denen die Teile 205 und 207 auch Teile der Flächen der Halbzylinder 26" und 27" sind, während die Teile 206 und 208 Flächenteile der Schwinge 20' sind.

Die Fig. 10 zeigt einen mit einem Teil der Fig. 4 identischen Teil, außer daß die Fig. 10 stark vergrößert ist. Die Ansicht nach Fig. 10 zeigt den Kristall 30' und die ihn umgebende Struktur. Es wird betont, daß ein Bindemittel, beispielsweise Epoxyd, bei 200 gezeigt ist, das den Kristall 30' mit der Schwinge 20¹ und den Halbzylindern 26" und 27" verbindet. Die Art und Weise, auf die der Kristall 30* mit den ihn umgebenden Strukturen verbunden ist, ist nicht besonders kritisch. Jedoch wird der Kristall 30^r vorzugsweise mit dem Epoxyd 200 an der Schwinge 20" befestigt.

Falls gewünscht kann das Epoxyd 200 den Kristall 30' völlig einhüllen und ihn mit allen Teilen 202 bis 208 verbindeni Ebenso

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kann das Epoxyd den Kristall 30' mit der Hülse 22" falls gewünscht verbinden. Der Kristall 30' kann zwischen dem Epoxyd 200 und der Hülse 22" unter dauernder Kompres sion gehalten werden, falls gewünscht. Andererseits kann auch eine periodische Kompression angewandt werden. Ferner kann die Hülse 22" entweder mit oder ohne dauerndem oder periodischem Kontakt mit dem Kristall 30^r stehen _r jedoch soll die Hülse 22" prinzipiell mindestens dem Kristall 30' benachbart sein.

Falls gewünscht kann die Schwinge 20' mit den beiden Halbzylindern 26" und 27" mittels Elektronenstrahlen verschweißt oder anderweitig befestigt sein.

Der bereits erwähnte unerwartete und somit überraschende Vorteil . der Erfindung hinsichtlich der wesentlich geringeren Rauschempfindlichkeit des Vorverstärkers 10 kann der folgenden Tabelle entnommen werden. ^c- .

Spulenantriebs- . Rauschausgangs— Rauschausgangs-

frequenz in kHz spannung bisheriger spannung des Vorver-

Vorverstärker stärkers nach der

........' " in. mV . Erfindung in mV

0_f 7 32 1,0

1,1 25 0,5

5,0 20 0,3

11,0 14 0,3

Ein weiterer hervorstechender Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Vorverstärker 10 das Densitometer temperaturkompensiert. Im einzelnen fällt die Amplitude des Wechselspannungsausgangssignals mit steigender Temperatur der Sonde 10', wenn ein Vorverstärker üblicher Art verwendet wird. Die Ursache hierfür war bisher unbekannt. Es war daher unerwartet, daß das Ausgangs-

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signal des Vorverstärkers 10 dieses Problem löst. Der Erfinder hat auch, eine Theorie entwickelt, aus welchen Gründen der Vorverstärker das Densitometer weniger empfindlicher oder sogar unempfindlich gegen Temperaturschwankungen macht.

Er nimmt an, daß das Epoxyd 200 erweicht, wenn die Temperatur steigt. Somit ergibt sich eine schwächere und nicht so widerstandsfähige Verbindung zwischen dem Kristall 30" und den ihn umgebenden Strukturen bzw. der Schwinge 2O^!. Die teilweise Schwächung der Verbindung reduziert somit den Wirkungsgrad, mit dem die kinetische Energie der Schwinge 20⁸ auf den Kristall 30" übertragen wird- Oder anders ausgedrückt wirkt das erweichte Epoxyd 200 als "Stoßdämpfer" und dämpft oder absorbiert Energie, die auf den Kristall 30* übertragen werden sollte»

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß ein piezoelektrischer Kristall verwendet wird_r dessen Ausgangswechselspannung mit der Temperatur ansteigt. Es gibt eine ganze Reihe bekannter Kristallmaterialien_r die einen solchen Temperaturverlauf aufweisen. Ein solches Material ist beispielsweise vom Typ PZT-5H, das von der amerikanischen Firma Gulton Industries als Glennit-Piezokeramik verkauft wird. Der Kristall 30" ist somit ein solcher PZT-5H-Kristall. Das Epoxyd 200 kann üblicher Art sein, beispielsweise das in Amerika erhältliche Epoxy Patch Kit IC White, das von der Hysol Division der Dexter Corporation vertrieben wird.

6 Patentansprüche
3 Blatt Zeichnungen
mit 10 Figuren

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Temperaturkompensiertes Vibrationsdensitometer, gekennzeichnet durch, eine einen Träger und eine daran befestigte Schwinge (2O¹) aufweisende Sonde (10*)? einen am Träger montierten Antrieb (104) für die Schwinge, einen Aufnehmer für die Schwingungen der Schwinge? der ein zu den Schwingungen synchrones und mit steigender Temperatur zunehmendes Wechselsignal abgibt, ein Bindemittel_F das den Aufnehmer an der Schwinge fest fixiert und mit steigender Temperatur weicher wirdr und eine zwischen Aufnehmer und Antrieb liegende Betriebsschaltung s- die zusammen mit Aufnehmer und Antrieb einen in sich geschlossenen elektromechanischen Oszillator mit einer zur Aufrechterhaltung der Schwingungen ausreichenden Schleifenverstärkung bildet und einen Vorverstärker (10) enthält, der elektrisch hinter dem Aufnehmer angeordnet ist und dessen Ausgang mit einem Oszillator (116) einstellbarer Frequenz und der Betriebsschaltung verbunden ist.

Densitometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer einen piezoelektrischen Kristall (30¹) enthält.

3. Densitometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Epoxyd enthält.

4. . Vorverstärker zum Betrieb des Densitometers nach einem der

Ansprüche 1 bis 3_r dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Differenzverstärker (18) besteht, dessen invertierender (-) und nichtinvertierender (+) Eingang mit den beiden Anschlüssen des Kristalls (30^r) verbunden sind und dessen Ausgang über einen Rückkopplungskondensator (39) mit dem invertierenden Eingang verbunden ist.

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5. Vorverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der Betriebsspannung (41) des Differenzverstärkers (18) ein Spannungsteiler (26, 32) liegt, dessen Abgriff mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang verbunden ist, daß der eine Spannungsteilerzweig (26) von einem Kondensator (27) überbrückt ist und daß dem Rückkopplungskondensator (39) ein Widerstand (37) parallelgeschaltet ist.

6. Vorverstärker nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zum Kristall ein weiterer Kondensator (14) angeordnet ist.

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L e e r s e i t e