DE2330972A1 - Vorrichtung zur messung der dichte, insbesondere von fluessigkeiten und gasen - Google Patents
Vorrichtung zur messung der dichte, insbesondere von fluessigkeiten und gasenInfo
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Description
Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von
Flüssigkeiten und Gasen.
Die }rfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der
Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mechanischen
Schwingungsgebildes, in dessen Masse die Masse des Meßobjektes enthalten ist, wobei ein vom Schwingungsgebilde
beeinflußter mechanisch-elektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem das mechanische Schv/ingungsgebilde
beeinflussenden elektro-iaechanischen Wandler verbunden
ist.
In der DT-PS 1 648 953 ist eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen beschrieben,
bei der die Messung der Dichte auf die Bestimmung der Schwingungsdauer eines Biegeschwingers zurückgeführt wird,
der mit der zu messenden Substanz' gefüllt ist und der auf elektrischem Wege in seiner Resonanzfrequenz erregt wird.
Hierbei ist am Schwingungsgebilde ein Magnetkörper angeordnet, in dessen Feld zwei Spulen vorgesehen
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sind, die über einen Erregerverstärker miteinander verbunden sind. Da zwischen der Dichte γ und der Schwingungsdauer T
des mechanischen Schwingungsgebildes die Beziehung
f> = A(T2 - B)
besteht, wobei A und B Apparatekonstanten darstellen, ist aus der Schwingungsdauer die Dichte bestimmbar. Auf Grund
der gemessenen Schwingungsdauer an zwei Medien bekannter Dichte, z.B. Wasser und Luft, kann für jedes andere Medium
die Dichte ermittelt werden.
Da das gesamte Schwingungsgebilde nicht nur aus dem Biegeschwinger allein besteht, sondern auch dessen Befestigung
umfaßt, stellt das gesamte Schwingungsgebilde einen Koppelschwinger dar, bei dem im mechanischen Modell die auch
die Masse des Präparates, dessen Dichte gemessen werden soll, enthaltende Schwingermasse m mit einer vor allem durch die
befestigung des Schwingers gebildeten Gegenmasse M über eine Feder mit einer Federkonstante c verbunden ist.
Zur zielführenden Berechnung der Di <- ite des Meßpräparates
auf Grund von zwei Frequenzmessungen, z.B. an Luft und Wasser, ist ein möglichst großes Verhältnis l-l/m erforderlich.
Für Genauigkeiten von ca. 10" g/cm muß M/m ^ 10 sein
Es hat sich nun gezeigt, daß die Verwirklichung dieses Verhältnisses auf mechanischem Wege nicht möglich ist.
Darüber hinaus beeinflussen auch Temperatureinwirkungen die Dichtemessung.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lösur. zu finden, mit der die Genauigkeit der Dichtemessung weitgeh,
verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die elektronische Einrichtung eine die Phase und die Ampxituc
des das Schwingungsgebilde erregenden Signals definiert ändernde Anordnung enthält.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, auf elektrischem Wege eine entsprechende Kompensa-
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tion der in Frage stehenden Komponenten, vor allem des Temperaturkoeffizienten
und der Gegenmasse, herbeizuführen, wobei einerseits durch eine Beeinflussung der Federkonstanten
c der im Modell die beiden Massen verbindenden Feder auf elektronischem Wege ein Verhaltendes Schwingers erzielt
wird, das einem Verhältnis von M/m = «χ» entspricht (Gegenmassenkompensation),
anderseits auch der Temperatureinfluß auf die Dichtemessung kompensiert bzw. in gewissen Anwendungsfällen
definiert verändert werden kann, indem die ^ederkonstante
c auf elektronischem Wege temperaturabhängig beeinflußt wird.
Zur Anregung und Aufrechterhaltung der Schwingung muß auf den Schwinger eine periodische Kraft in Phase mit der
Geschwindigkeitsamplitude einwirken, die vom Erregersystem aufgebracht wird. Kräfte in Phase mit der Wegamplitude tragen
nicht zur Entdämpfung bei, sondern verändern scheinbar die frequenzbestimmenden Größen c bzw. m. Gemäß der Erfindung
wird demnach eine Temperaturkompensation des Schwingers dadurch erreicht, daß die Amplitude dieser periodischen Kraft so temperaturabhängig
gesteuert wird, daß sie die temperaturbedingten Veränderungen von Masse und Feder ausgleicht.
Zur Gegenmassenkompensation wird die Amplitude der in Phase mit der Wegamplitude einwirkenden Kraft proportional
dem Quadrat der Schwingungsdauer gehalten, wodurch sich für eine beliebige Schwingermasse m (verschiedene Präparatdichten)
eine Schwingungsdauer einstellt, die einer unendlichen Gegenmasse M entspricht.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei der Einfachheit
halber die Anordnung zur Messung der Schwingungsdauer selbst nicht dargestellt ist.
Fig.1 zeigt das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig.2 eine Vorrichtung mit einem wegabhängigen Wandler und
Fig.2 eine Vorrichtung mit einem wegabhängigen Wandler und
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Pig.3 eine Vorrichtung mit einem geschwindigkeitsabhängigen
Wandler.
Bei der in Fig.1 dargestellten prinzipiellen
Anordnung trägt ein das Schwingungsgebilde darstellender Biegeschwinger 1 eine das Meßpräparat enthaltende Hohlkugel
2. Der Biegeschwinger 1 beeinflußt einen mechanischelektrischen Wandler 3, der über eine elektronische Einrichtung
4 zu einem elektrisch-mechanischen Wandler 5 führt, der seinerseits auf den Biegeschwinger 1 einwirkt. Die
elektronische Einrichtung 4 weist u.a. einen Verstärker auf, über den ein Rückkopplungskreis geschlossen ist, durch
den der Biegeschwinger 1 in seiner Eigenresonanz zu Schwingungen erregt wird. Da die Schwingungsdauer des Biegeschwingers
1 nicht nur von der Dichte des Meßpräparates, sondern insbesondere auch von der Temperatur und der ^röße der Gegenmasse
6 abhängt, enthält die elektronische Einrichtung 4 eine die Phase und die Amplitude des den Biegeschwinger 1
erregenden Signals ändernde Anordnung, durch die die genannten Einflüsse kompensiert werden. Dadurch wird erreicht, daß die
sich einstellende Frequenz lediglich durch die Dichte des Meßpräparates bestimmt ist. Sowohl für die Wandler 3,5 als
auch für die elektronische Einrichtung 4 können die verschiedensten Anordnungen herangezogen werden. Zwei beispielsweise
Möglichkeiten, die sich als vorteilhaft erwiesen haben, sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt.
Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist als mechanisch-elektrischer Wandler eine Lichtschrankenanordnung
vorgesehen, bei der der Biegeschwinger 1 eine Blende 7 trägt, die zur Abnahme der Wegamplitude in den
auf eine Photodiode 8 gerichteten Strahlengang einer Lichtquelle 9 eintaucht. Die Photodiode 8 liegt am Eingang eines
Photoverstärkers 10, dessen Ausgang über drei getrennte Zweige 11,12,13 zu einem Summierverstärker 14 führt, dessen
Ausgang mit einer einen elektro-magnetisehen Wandler 15
bildenden Erregerspule verbunden ist, die das durch die
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aus der Blende 7» der Photodiode 8 und der Lichtquelle 9
gebildeten Lichtsehrankenanordnung abgenommene Signal in
Form eines elektromagnetischen Wandlers als Kraft dem Biegeschwinger 1 einprägt.
Der Zweig 11 enthält die Reihenschaltung
eines Differentiators 16 und eines Begrenzers 17 und dient der Entdämpfung.
Das gesohwindigkeitsproportionale Signal
wird durch Differentiation aus der Wegamplitude gewonnen und zur Konstanthaltung der Amplitude begrenzt.
Der Zweig 12 enthält eine Brückenschaltung 18 mit einem temperaturabhängigen Zweig 19. Die Brückenschaltung
18 ist an einen Brückenverstärker 20 angesehlos-, sen, dessen Ausgang über einen regulierbaren Widerstand 21
zum Summierverstärker 14 führt. Mittels der Brückenschaltung 18 wird ein einer Temperaturabweichung proportionales
Signal erzeugt, das über den regulierbaren Widerstand 21 dem Summenpunkt zugeführt wird. Der regulierbare Widerstand
21 erlaubt die Anpassung an den zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten.
Der Zweig 13 enthält die Reihenschaltung zweier Integratoren 22,23 und eines regulierbaren Widerstandes
24, wodurch zur Gegenmaeeenkompensation dqs Wegsignal durch
zweimalige Integration proportional dem Quadrat der Schwingungsdauer gemacht und über den regulierbaren Widerstand
an den Eingang des Summierverstärkers 14- geführt wird.
Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungebeispiel ist als mechanisch-elektrischer Wandler ein magnetdynamisches
System 25 vorgesehen, an das ein Verstärker 26 angeschlossen ist, der zur elektronischen Einrichtung 4
führt.
Auch hier besteht die elektronische Einrichtung 4 aus den drei Zweigen 11,12,13, wobei der Zweig 11 der
Aufrechterhaltung der Schwingungen, der Zweig 12 der Temperaturkompensation und der Zweig 13 der Gegenmassenkompensation
dient.
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Da bei diesem Ausführungsbeispiel in Form des magnet-dynamischen Systems 25 ein geschwindigkeitsabhängiger
Wandler vorgesehen ist, ist zur Aufrechterhaltung
der Schwingung lediglich ein Begrenzer 27 erforderlich. Für die Temperaturkompensation wird das geschwindigkeitsabhängige
Signal über den Integrator 28 der Brückenschaltung 29 mit einem temperaturabhängigen Zweig 30 zugeführt,
die über einen Verstärker 31 und einen regulierbaren Widerstand 32 an den Summierverstärker 33 führt. Für die
Gegenmassenkompensation weist der Zweig 13 aus dem gleichen Grunde drei Integratoren 34,35»36 auf, die über den
regulierbaren Widerstand 37 zum Sunimierverstärker 33 führen.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt; so können anstelle der in Fig.2 dargestellten Lichtschrankenanordnung auch andere
wegabhängige mechanisch-elektrische Wandler, beispielsweise spannungssteuernd- elektrostatische, piezoelektrische
Wandler, Dehnungsmeßstreifen od.dgl« vorgesehen werden,,
Desgleichen können anstelle des in Fig.3 dargestellten magnetisch-dynamischen Systems auch andere geschwindigkeitsabhängige mechanisch-elektrische Wandler, beispielsweise
stromsteuernd elektrostatische Wandler od.dgl, vorgesehen sein.
Auch anstelle der Erregerspule als elektrisch-mechanischer Wandler 5 können andere Wandler, beispielsweise
elektrostatische, magnetostriktive, piezoelektrische od.dgl.
Wandler treten.
Desgleichen kann an die Stelle einer temperaturabhängigen Brückenschaltung ein Analog-Multiplikator treten,
der das Kompensationssignal mit einer temperaturabhängigen
Spannung multipliziert.
Die Messung der Dichte erfolgt, wie erwähnt, durch Messung der Schwingungsdauer, was auf beliebige Weise erfol
gen kann, weshalb die diesbezügliche Anordnung in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Claims (10)
- Patentansprüche1 J Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mechanischen Schwingungsgebildes, in dessen Masse die Masse des Meßobjektes enthalten ist, wobei ein vom Schwingungsgebilde beeinflußter mechanischelektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem das mechanische Schwingungsgebilde beeinflussenden elektromechanischen Wandler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) eine die Phase und die Amplitude des das Schwingungsgebilde (1) erregenden Signals definiert ändernde Anordnung (11,12, 13) enthält.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-elektrischer Wandler (3) ein wegabhängiger Wandler, beispielsweise ein optoelektronischer, spannungssteuernd-elektrostatischer, piezoelektrischer Wandler oder ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen ist, wobei die elektronische Einrichtung (4) zur Entdämpfung einen Zweig (11) aufweist, der einen Differentiator (16) und einen Begrenzer (17) enthält.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen temperaturabhängigen Zweig (12), beispielsweise eine Brükkensehaltung (18), enthält.
- 4· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurchgekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) zur Gegenmassenkompensation einen zwei Integratoren (22,23) enthaltenden Zweig (13) aufweist.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-elektrischer Wandler (3) ein geschwindigkeitsabhängiger Wandler, beispielsweise ein409818/0734magnetdynamischer Wandler oder ein stromsteuernd elektrostatischer Wandler vorgesehen ist, wobei die elektronische Einrichtung (4) zur Entdämpfung einen Zweig (11) aufweist, der einen Begrenzer (27) enthält.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen temperaturabhängigen Zweig (12), beispielsweise eine Brückenschaltung (29) mit einem Integrator (28) enthält.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) zur Gegenmassenkompensation einen drei Integratoren (34,35,36) enthaltenden Zweig (13) aufweist.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Zweig (12) zur Einstellung des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten einen regulierbaren Widerstand (21,32) aufweist.
- 9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,dadurch gekennzeichnet, daß der zur Gegenmassenkompensation vorgesehene Zweig (13) einen regulierbaren Widerstand (37,24) aufweist, der zur Anpassung an die zu kompensierende Gegenmasse dient.
- 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen Summierverstärker (14,33) enthält, an dessen Eingang die verschiedenen Zweige (11,12,13) angeschlossen sind und der zu dem elektro-mechanischen Wandler (5,15) führt.409818/0734Leerseite
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