DE2357555A1 - Vibrationsdensitometersonde - Google Patents

Description

Deutsche ITT Industriec GmbH CE. Miller 8

78 Freiburg, Hans^Bunte-Sir. 19 ... ^H Dr.Rl./kn

13. November 1973

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

"Vibrationsdensitometersonde

Die Priorität der Anmeldung Nr. 309 168 vom 24. November 1972 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft die Technik der Erzeugung eines elektrischen Signals als Funktion der Dichte einer Flüssigkeit, ins- ·. " besondere Vibrationsdensitometer und deren, Sonden zum Eintauchen in eine Flüssigkeit.

Bislang war es üblich, in Vibrationsdensitometern zwischen dem Sondengehäuse und "der*in Schwingung zu versetzenden Anordnung ein magnetostriktives Teil zu verwenden. Eine Antriebsspule
ist dabei oberhalb dieses Teils angebracht und wird von einem Signal gespeist, das einen Wechselspannungsanteil besitzt. Das Teil befindet sich unter Druck unabhängig davon, ob die Spule mit Energie versorgt ist oder nicht.

Da das Teil und das Gehäuse bei jeder Temperatur nicht genau
die gleiche thermische Ausdehnung besitzen, ändert sich die
axiale Kompression des Teils. Dies beeinflußt die Genauigkeit

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des Densitometers nachteilig. Aus diesem Grund ist ein Vibrationsdensitometer häufig so ausgebildet, daß es nur in einem begrenzten Temperaturbereich arbeitet.

Wenn eine Flüssigkeit durch eine Rohrleitung fließt, braucht es ziemlich lange, bis ein Vibrationsdensitometer die Dichte der Flüssigkeit genau anzeigt, da es eine Weile dauert, bis die Temperatur der Densitometerteile auf den vorgesehenen Temperaturbereich, z.B. die Temperatur der Flüssigkeit, gestiegen oder gefallen ist.

Vibrationsdensitometersonden nach dem Stand der Technik benutzen oft das gleiche ferromagnetische Material zur Vervollständigung des Magnetkreises des magnetostriktion Antriebs. Bedauerlicherweise korrodieren die ferromagnetischen Sondengehäuse leicht oder werden auf andere unerwünschte Weise durch die Chemikalien der Flüssigkeit angegriffen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vxbrationsdensitometersonde zu schaffen, die nicht mit den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik behaftet ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Startzeit des Vibrationsdensitometers verringert wird.

Ein anderer Vorteil liegt darin, daß das Gehäuse der Sonde aus einem Material besteht, das nicht so leicht durch in der zu messenden Flüssigkeit vorhandene Chemikalien angegriffen wird.

Die beschriebenen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verstehen.

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In den Zeichnungen, die lediglich der Veranschaulichung dienen, stellen dar: ■

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Densitometersonde, die gemäß dem Stand der Technik aufgebaut ist,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Sonde entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Reihe von Bestandteilen der Sonde nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 einen vergrößerten Längsschnitt des Sondenteils aus Fig. 1, .

Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein Befestigungsteil für den elektrischen Anschluß,'der sonst im wesentlichen an der Sonde befestigt ist, entlang der Linie 6-6 aus Fig. 2, .

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Densitometers nach der vorliegenden Erfindung und

Fig. 8 einen senkrechten Schnitt, teilweise im Aufriß, einer erfiridungsgemaßen Densitometersonde.

Die Fig. 1 bis 6 und ihre Beschreibung finden sich bereits'in dem US-Patent Nr. 3 677 O67 sowie in den Patentanmeldungen P 22 11 276.1, P 22 15 568.6 und P 22 49 206.4.

In Fig. 1 wird eine Sonde IO' nach dem Stand der Technik gezeigt, die einen Schaft 11 aufweist und die ferner ein Gehäuse

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an ihrem oberen Ende, einen röhrenförmigen Bauteil 13 an ihrem unteren Ende sowie einen an dem oberen Ende des Gehäuses 12 durch Bolzen 15 fixierten elektrischen Anschluß 14 besitzt. Die ringförmigen Befestigungsteile 16 und 17 umgeben den Schaft und befestigen die Sonde 10* in einem hohlen zylindrischen 'Ansatz 18 der Rohrleitung 19, wie Fig. 2 zeigt.

Wie in den Fig. 1 Und 2 gezeigt wird, ist ein Flügel 20' aus rostfreiem Stahl in dem Bauteil 13 in senkrechter Stellung zu den Achsen des hohlzylindrischen magnetostriktiven inneren Rohres 21 befestigt. Der Flügel 20' kann auch symmetrisch zur Achse der ihn umgebenden äußeren Hülse 22 befestigt werden.

Der Flügel 20' kann eine rechteckige Platte mit flachen und parallelen oberen und unteren Begrenzungsflächen sein, wie in Fig. 2 gezeigt wird, und er kann wechselseitig normale Begrenzungsflächen haben, die ein richtiges Parallelepiped bilden.

Der Schaft 11 besteht nicht nur aus dem inneren Rohr 21, sondern auch aus dem äußeren magnetischen Rohr 23. Eine Antriebsspule oder Magnetspulenwindung 24' ist um eine Nylonspule 25 gewickelt, fest auf die äußere Fläche des inneren Rohres 21 gepreßt und sitzt im Zwischenraum zwischen den Rohren 21 und 23 in Richtung auf das untere Ende des Schaftes 11. Die Spule 24' wird so in einer weitgehend fixierten Stellung auf dem inneren Rohr 21 gehalten, obgleich dies für die Funktion des Gerätes nach der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt entscheidend ist.

Der Flügel 20' wird zwischen zwei Halbzylindern 26 und 27 gehalten, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt wird. Erfindungsgemäß werden die Längskanten des Flügels 20' zwischen den Halbzylindern 26 und

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mit einem Druck von ca. 1 406 kg/cm zusammengedrückt, da der in Fig. 3 gezeigte Aufbau in der Hülse 22 mit einem Preßsitz eingebaut ist und die Hülse 22 vor dem Einbau erhitzt wird.

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Der Halbzylinder 26 hat vier Vorsprünge 28, und der Halbzylinder 27 hat vier Vorsprünge 29. Die Vorsprünge 28 und 29 dienen dazu, eine Längsbewegung des Flügels 20' zwischen den Halbzylindern 26 und 27 zu verhindern, obgleich eine solche aufgrund des ,.Spanndrucks, der auf den Flügel 20* zwischen den Halbzylindern 26 und 27 lastet, ohnehin unwahrscheinlich ist.

Die Halbzylinder 26 und 27 und der Flügel 20' können so ausgebildet sein, daß sie eine Mulde oder Aussparung zur Aufnahme eines piezoelektrischen-Kristalls 30' besitzen. Der Kristall 30' hat elektrische Anschlüsse 31 und 32, die sich um die Halbzylinder 26 und 27 in den Rillen 33 und 34 bis zu einem Punkt erstrecken, an dem sie das hohle Innere des inneren Rohres 21 erreichen. Dieser Einlaß befindet sich an dem unteren Ende des inneren Rohres 21, wie Fig. 2 zeigt.

Wie Fig. 3 zeigt, haben' die Vorsprünge 28 und 29 bei 35 einen geringen Abstand, um sicherzustellen, daß der Kontaktdruck der Halbzylinder 26 und 27 auf den Flügel 20' dem Preßsitz entsprechend hoch ist. .

Wie Fig. 2 zeigt, ist bei 37 an die Hülse 22 eine Nabe 36''flüssigkeitsdicht angeschweißt. Obgleich das Gerät nach der vorliegenden Erfindung durchaus nicht immer flüssigkeitsdicht sein muß, ist eine Glas-Metall-Dichtung oder eine andere Dichtung an der Innenseite des inneren Rohres 21 für die Leitungen 31 und 32 vorgesehen. Wenn gewünscht, können der Kristall 30'"und die in den Rillen 33 und 34 liegenden Teile der Leitungen 31 und in ein Epoxydharz eingebettet werden, ehe der Preßsitz bewirkt wird. Nachdem der Preßsitz erreicht und die Anlage vollständig zusammengebaut wurde, kann sie darüber hinaus im Inneren der Hülse 22 mit einem Bindemittel behandelt werden. Jedes herkömmliche Verfahren zum Verkitten kann benutzt werden, einschließlich der Anwendung eines Bindemittels, das unter dem Namen "Locktite" verkauft wird.

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Wie zuvor ausgeführt, kann die Nabe 36■ bei 37 an die Hülse flüssigkeitsdicht angeschweißt sein. Ferner kann das äußere Rohr 23 auf die Nabe 36' aufgeschraubt und bei 38 flüssigkeitsdicht verschweißt sein. Für alle praktischen Zwecke kann so die Nabe 36* als integrierter Teil des äußeren Rohres 23 angesehen werden. Die Nabe 36' kann z.B. auch aus magnetischem Material sein. Der Begriff "magnetisches Material", wie er hier gebraucht wird, schließt nicht nur rostfreien Stahl, sondern jedes andere magnetische Material ein. Obgleich magnetisch, muß das Rohr 21 jedoch auch magnetostriktiv sein. Ungeachtet dieser Einsehränkung muß gesagt werden, daß das innere Rohr 21 zur Erzeugung der Schwingung dient, und wenn ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ohne ein·anderes verwendet wird, mag die Verwendung von magnetostriktivem oder magnetischem Material nicht erforderlich sein, aber die Erfindung kann trotzdem benutzt werden.

Das innere Rohr 21 hat eine ringförmige Verbreiterung 39 mit einem Absatz 40. Das äußere Rohr 23 hat eine untere Ausbohrung 41, die von der engeren oberen Ausbohrung 42 durch einen ringförmigen Absatz 43 getrennt ist. Die Absätze 40 und 43 stoßen aneinander. Vom Absatz 40 bis zu dem unteren Ende des inneren Rohres 21 ist dieses stets in axialer Kompression. Das bedeutet, daß das innere Rohr 21 komprimiert wird, wenn die Spule 24' mit Energie versorgt wird; es wird jedoch auch dann komprimiert, wenn die Spule 24* ohne Energiezufuhr ist. Die Spule 24* wird mittels eines Wechselstroms erregt, der somit lediglich den Kompressionsgrad des inneren Rohres 21 ändert.

Die Verbreiterung 39 hat ein Loch 44, durch welches die elektrischen Zuleitungen der Spule .24' vom Ort der Spule 24' zwischen den Rohren 21 und 23 hinaufführen.

Die Art und Weise, in der die Sonde IO* in der Rohrleitung befestigt ist, läßt sich besser- aus der Fig. 5 erkennen. Der

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Fig. 5 ist zu entnehmen, daß das äußere Rohr 23 eine nach außen gerichtete radiale Verbreiterung 45 besitzt, auf deren beiden Seiten O-Ringe 46 und 47 aus Gummi durch die Befestigungsteile 16 und 17 angepreßt werden. Das Befestigungsteil 17 ist in den Ansatz 18 eingeschraubt und darin durch ein herkömmliches Abdichtmittel 48 abgedichtet, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Aus Fig. 5 erkennt man ferner, daß das Befestigungsteil 16 ,bei 49 in dem Befestigungsteil 17 eingeschraubt ist. Das Ausmaß, in dem die O-Ringe 46 und 47 zusammengepreßt werden, wird deshalb durch die Position des Befestigungsteils 16 bestimmt, d.h. daß man das Befestigungsteil 16 z.B. mittels eines Schraubenschlüssels drehen kann, bis die gewünschte Kompression der O-Ringe erreicht ist. ■ .

Aus der in Fig. 5 gezeigten Konstruktion erkennt man, daß die O-Ringe 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.

Die Sonde 10' ist so konstruiert, daß die Leitungen der Spule 24' magnetisch von den Leitungen des Kristalls 30' getrennt gehalten werden. Diese Trennung gilt für die Länge des Gehäuses 12, wie noch zu beschreiben sein wird. Das Gehäuse 12 besitzt ein Befestigungsteil 50, das auf das äußere Rohr 23 aufgeschraubt ist. Ein Zylinder 51 ist auf das Befestigungsteil 50 aufgeschraubt. Ein Dichtungsring 52 ist genausitzend eingepreßt und somit an das Befestigungsteil 50 und das innere Rohr 21 fixiert. Das obere Ende des inneren Rohres 21 sitzt am Dichtungsring 52 an oder ist in demselben verschiebbar, ganz wie gewünscht. Vorzugsweise' sitzt jedoch die äußere Fläche des inneren Rohres 21 an seinem oberen Ende an der Fläche des Dichtungsrings 52 fest an, wodurch das Loch abgeschlossen wird. Ein Schirm 53 aus'magnetischem Material kann das Befestigungsteil 50 umgebend mittels einer oder mehrerer Schrauben 54 befestigt sein. Das äußere Rohr 23 hat ein

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radial ausgerichtetes Loch 55, durch das die Leitungen der Spule 24' gehen. Das Befestigungsteil 50 hat in der Verlängerung von 55 ein Loch 56, durch das die Leitungen der Spule 24' gehen. Von den äußeren radialen Teilen des Lochs 56 an gehen die mit 57 und 58 bezeichneten Spulenzuleitungen zwischen dem Zylinder 51 und dem Schirm 53 hinauf und sindan den Stiften 69 und 6O des elektrischen Anschlusses 14 befestigt. Dieser kann ein herkömmlicher fünfpoliger Anschluß sein.

Wie zuvor dargelegt, erstrecken sich die Leitungen 31 und 32 vom Kristall 30' hinauf durch das Innere des inneren Rohres An dem oberen Ende des inneren Rohres 21 sind, wie Fig. 2 zeigt, die Leitungen 31 und 32 an dem Einlaß des Differenverstärkers 6.1' angeschlossen. Die Leitungen 31 und 32 erstrecken sich somit . durch die obere öffnung des inneren Rohres 21 hinaus. Der Differenzverstärker 61' kann ganz konventionell und gegebenenfalls auf einer der herkömmlichen Karten befestigt sein. Wenn gewünscht kann er innen im Schirm 53 durch herkömmliche Mittel gehalten werden oder einfach durch die Stärke der Leitungen 31 und 32 und der Ausgangsleitungen 62 und 63, die mit den Stiften 64 und 65 des Anschlusses 14 verbunden sind, gehalten werden. Die Leitung 66 sorgt für eine Erdung zwischen dem Schirm 53 und dem fünften Stift 67 des Anschlusses 14.

Die Art und Weise, in der der Anschluß 14 an den Zylinder 51 montiert ist, wird in Fig. 6 gezeigt. Nur ein Schraubbolzen 15 wird in Fig. 6 gezeigt, da alle Bolzen 15 ähnlich angeordnet sind. Nach Fig. 6 weist der Schraubbolzea_ä 15 einen Kopf 68 auf, eine Unterlegscheibe 69 unter dem Kopf 68, einen' O-Ring 70 unter der Unterlegscheibe 69 und einen Schaft 71, eingeschraubt im Zylinder 51. Ein zweiter O-Ring 72 liegt ebenso um den Schaft herum. Der O-Ring 70 sitzt zwischen der unteren Fläche der Unterlegscheibe 69 und dem versenkten kegelstumpfförmigen Loch 73 im Anschluß 14. Der O-Ring 72 sitzt zwischen der oberen Fläche des

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Zylinders 51 und einem anderen versenkten kegelstumpfförmigen Loch 74 im Anschluß 14. Die Löcher 73 und 74 sind über eine Ausbohrung 75 verbunden. Aus Fig. 6 erkennt man, daß alle darin gezeigten Bestandteile schwingen können, daß aber die Stärke der Schwingung, die auf den Anschluß 14 übertragen wird, ganz gering sein kann. _f

Fig. 7 zeigt eine Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Densitometers. Eine von der Sonde 10' sich unterscheidende Sonde 10 ^ wird gezeigt, ebenso eine Antriebsspule 24, ein Kristall 30 und ein Differenzverstärker 61.

Die Spule 24, der Flügel 20, der Kristall 30 und der Differenzverstärker 61 können.wunschgemäß mit der Spule 24', dem Flügel 20', dem Kristall 30' und dem Differenzverstärker 61' identisch sein.

Ein Strom-Spannungs-Wandler 76 ist an den Verstärker 61 angeschlossen. Der Wandler 76 kann mit dem des obigen Patentes identisch sein, er kann also vollständig der herkömmlichen Art entsprechen.

In Fig. 7 liegt ein Differenzierglied 82 zwischen dem Wandler und einem Rechteckwellenwandler 83. Das Differenzierglied 82 kann mit dem im US-Patent 3 677 067 gezeigten identisch sein; es kann aber auch ebensogut ganz der herkömmlichen Art entsprechen.

Am Eingang des Differenziergliedes 82 liegt hauptsächlich eine Sinusspannung einer Frequenz, die gleich der durch den Kristall registrierten Resonanzfrequenz ist. In der üblichen Weise erzeugt das Differenzierglied 82 eine Sinusspannung, die gegenüber der Eingangssinusspannung um 90 in der Phase verschoben ist und bezüglich der Amplitude dem Absolutwert der Eingangsfrequenz

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proportional ist. Die Aus gangs sinus spannung des Differenziergliedes 82 wird durch den Rechteckwellenwandler 83 in ein Rechtecksignal übergeführt. Da die Zeiteinheiten nicht gleich den Potentialeinheiten sind, wird der in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "Rechtecksignal" als Spannungs-'wellenform mit plötzlichem Anstieg auf einen Maximalwert, mit einem daraufhin folgenden Konstantbleiben über die Hälfte der Periode und dann einem plötzlichen Abfallen definiert, z.B. mit einem nahezu unendlichen Abfall gegen den Minimalwert. Die Rechteckwellenform bleibt danach während der Hälfte ihrer Periode auf ihrem Minimalwert. Ein Rechtecksignal kann somit irgendeine maximale Amplitude und eine minimale Amplitude ohne Rücksicht auf ihre Periode oder Frequenz besitzen.

Die Amplitudensteuerstufe 90, das Abgleichfilter 91 und der Leistungsverstärker 92 sind nacheinander dem Rechteckwellenwandler 83 und der Antriebsspule 24 zwischengeschaltet. Die Amplitudensteuerstufe 90, das Abgleichfilter 91 und der Leistungsverstärker 92 können jeweils mit den entsprechenden Einrichtungen in dem erwähnten Patent identisch sein. Der Phasenkomparator nimmt ein Eingangssignal von dem Ausgang der Amplitudensteuerstufe 90 auf, ein weiteres Eingangssignal von dem Abgleichfilter und liefert ein Eingangssignal an den Filterfrequenzregler 94. Das Ausgangs signal des Reglers 94 dient zur elektrischen Änderung der Frequenzlage des Durchlaßbereichs des Abgleichfilters 91, um die Grundfrequenz des Rechteckwellenausgangssignals der Amplitudensteuerstufe 90 zu spreizen.

Die Amplitudensteuerstufe 9O kann einfach aus einem Spannungsteiler zur Verminderung der Amplitude des Ausgangssignals des Rechteckwellenwandlers 83 auf einen gewünschten Wert bestehen. Es ist zu bemerken, daß die Oszillationsamplitude bis zu einem unendlichen Wert ansteigen kann, bei dem oder vor dem einige der Bauteile ausfallen können, wenn alle Blöcke des Systems

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nach Fig. 7 als elektromagnetische Oszillatoren arbeiten. Die Amplitudensteuerstufe dient deshalb dazu, einen Grenzwert der Rückkopplung für die Antriebsspule 24 zu setzen.

Der Phasenkomparator 93 entspricht der herkömmlichen Bauweise.

Das Ausgangssignal des Abgleicfefliters 91 wird nach Fig. 7 der Linearisierungsschaituag 95 zugeführt. Der Ausgang der Linearisierungsschaltung 95 wird an das Anzeigegerät 96 angelegt, welches ein in Dichte geeichtes Voltmeter sein kannο

Ist gewünscht, daß der Phasenkomparator 93 ein stärkeres Eingangssignal erhält, kann der Ausgang des Rechteckwellenwandlers 83 an den Komparator 93 angeschlossen werden_r und der Eingang vom Ausgang der Amplitudensteuerstiafe 90 kann weggelassen werden» In gleicher Weise kann die Verbindung zwischen dem Ausgang des A-bgleichfliters 91 und des Komparators 93 weggelassen werden, und ein Rechteekwellenwandler kann zwischen den Ausgang des Abgleichfilters 91 und den rechten Eingang des Komparators 93 geschaltet werden, wie Fig. T zeigt, lern 'der Rechteckwellenwandler eingesetzt ist, kann öle Linearisierungsschaitung 95■ ^Λ ebenfalls dessen Ausgangssignal empfangen» " ·

Der Komparator 93, der Regler 94, die Linearisierungsschaitung und das Anzeigegerät 96 können mit den entsprechenden Geräten in dem genannten US-Patent 3 677 067 identisch sein»

Anstelle der Sonde 10° kann beim Betrieb die Sonde IO aus Fig. eine Nabe 100 mit einem Gewinde 101 besitzen,, das in den Ro'hransatz 18 eingeschraubt und wie bei 48 in Fig₀ 2 eingedichtet sein kann.

Beim Betrieb des Densitometers siach Fig. 7 bewirkt das ümgebungsrauschen, daß der Detektor 3O Signale in einem Frequenzband aufnimmt, das die Resonanzfrequenz des elektromagnetischen Oszilla-

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tors umfaßt. Das bedeutet, daß Signale vom Verstärker 61 verstärkt, vom Wandler 76 von Strom in Spannung umgewandelt und von der Differenzierschaltung 82 differenziert werden. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 82 ist somit ein Sinussignal, das vom Rechteckwellenwandler 83 in ein Rechtecksignal umgewandelt wird. Die Amplitudensteuerstufe 9O kann dazu benutzt werden, das Ausgangssignal des Rechteckwellenwandlers 83 auf einen Wert zu begrenzen. Die Freguenzlage des Durchlaßbereichs des Abgleichfilters 91 wird dann durch den Filterfrequenzregler 94 variiert, damit die Spannung mit der Grundfrequenz des Ausgangssignals der Amplitudensteuerstufe 90 dem Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 92 mit der geringsten Dämpfung folgt. Die Frequenzlage des Durchlaßbereichs des Abgleichfilters 91 wird dadurch in Übereinstimmung mit seinem vom Filterfrequenzregler 94 stammenden Eingangssignal geregelt. Dies geschieht ebenso in Übereinstimmung mit der Phasendifferenz der Ausgangssignale der Amplitudensteuerstufe 90 und des Abgleichfilters 91 mittels des Phasenkomparators 93. Der Leistungsverstärker 92 treibt dann die Spule 24 mit einem Signal an, das in Phase mit dem resonanzfrequenten Ausgangssignal des Detektors 30 ist und eine kleine Gleichspannungsverschiebung aufweist, wie dies im genannten US-Patent 3 667 067 sowie in der eigenen Anmeldung P 22 49 206.4 beschrieben ist. Wenn gewünscht, kann der Verstärker 92 sämtliche Elemente enthalten, die erforderlich sind, um das gleiche Ausgangssignal zu erzeugen, wie es der Treiberverstärker nach der genannten Anmeldung P 22 49 206.4 erzeugt.

Die von der Spule 24 erzeugte Schwingung steigt dann in ihrer Amplitude an, bis sie durch die Amplitudensteuerstufe 9O begrenzt wird. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Schwingungsamplitude nahezu Ruheniveau. Strömt eine Flüssigkeit durch die Rohrleitung 19 bei eingeschraubter Sonde 10 und ändert sich deren Dichte, so ändert sich auch die Frequenz des Ausgangssignals des Ab-

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gleicft.fi lters· 91. Die Linearisierungsschaitung 95 erzeugt dann eine der Dichte direkt proportionale Gleichspannung. Das Anzeigegerät oder das Voltmeter 96 können direkt abgelesen werden, wenn sie in Dichte geeicht sind.

Es wird betont, daß Teile der Sonde IQ in Schwingung versetzt werden, da das der Spule 245 zugeführte Wechselsignal, wie Fig. 8 zeigt/ unterschiedlichen radialen Druck, auf" die Halbzylinder 26' ausübt,, wobei das innere Rohr 21' axial zwischen dem oberen Ende des Rohres 2^:l^r und dem Gegenlager des inneren Rohres 21' an seinem unteren Ende mit dent Halbzylinder: 26' expandiert und komprimiert wird- - ·

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Verwendung des Differenzverstärkers· 6! und des Strom-Spannungs-Wandlersr 76,, der sich= z.,B.. in großem Ä&stand vom der Sonde 10 befinden kann. Er hat einen niedrigen Eingangswiderstand und ist somit eine Schaltung mit geerdetem Eingang- Die Genauigkeit, mit der da& res^nsnzfeequente Äusgangssignal des Detektors 30-auf den Wandler 76 übertragen wird?« wird nicht durch die Länge der übertragungsleitung zwischen der" Sonde IQ und dem Wandler 76 beeinflußt* dkn-- die Grundgröße ist unabhängig? von der Länge der Leitung« Der Spannungsafefail entlang der Leitung beeinflußt daher nicht die Genauigkeit^ wenn das resonanzfrequente Signal vom Differenzverstärker 61 zuim Wandler 76 übertragen wird. Die Abschirmung gegen äußeres Rausehen ist ebenfalls begrenzt. _a

Ein Festsitz der Hülse 22' auf den Halbzylindern 26' und 27' dient zur Verbesserung der Wirkung und der Genauigkeit wie zuvor. Die Verwendung des Kristalls 3Q ermöglicht die Verwendung einer sehr kleinen Schwinganordnung. Es besteht ein ständiger Preßsitz des inneren Rohres 21* zwischen dem Teil IQ2 und der oberen Seite des Halbzylinders 26 *.. Dies verbessert die Wirkung der Schwingung« .

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Das Differenzierglied 82 wirkt mehr oder weniger als Hochpaß filter. Wird die Amplitude der Ausgangesignale des Differenziergliedes als Funktion der Frequenz dargestellt, so ist die Amplitude im wesentlichen eine Gerade vorgegebener positiver Steigung, wobei die Amplitude auf der Ordinate positiv senkrecht nach, oben und die Frequenz auf der Abszisse positiv nach rechts ist. Obwohl das Differenzier glied 82 als ein sehr gutes Hochpaßfilter wirkt, liefert es eine konstante Phasenverschiebung der Eingangs signale von 90 . Das Abgleichfilter 91 liefert gewöhnlich auch eine solche Phasenverschiebung bei einer Frequenz, bei der die Signale am meisten abgeschwächt werden. Das Differenzierglied 82 und das Abgleichfilter 91 ergeben eine Phasenverschiebung in der gleichen Richtung, z.B. vor- oder nacheilend. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 32 ein Wechselsignal ist, das so eingestellt werden kann, daß es keine E&asenverschie%ing aufweist, also daß die Phasenverschiebung z.B. 180 oder null beträgt, und zwar durch einfaches Vertauschen der Zuleitungen der Antriebsspule 24, die an ihn angeschlossen ist. Somit wird ein phasenstarrer Antrieb bewirkt.

Es wird betont, daß jedes Merkmal der Erfindung ohne die anderen Merkmale benutzt werden kann- Darüber hinaus kann jedes Merkmal zusammen mit jedem anderen oder mehreren oder allen anderen Merkmalen verwendet werden. Die Erfindung ist deshalb auch nicht auf eines der Merkmale beschränkt.

In Fig. 8 wird eine Sonde IO gezeigt mit einem: Gehäuse IO3, das eine Nabe 100 enthält, die mit ihm verbunden ist und sich unterhalb der Schulter 104 erstreckt. Als Alternative zu der Abdichtung bei 48, gezeigt in Fig. 2, kann auf Wunsch die Oberfläche der Nabe 18 in Fig. 2 mit einer Qt-Ringnut und mit einem darin befindlichen Q-Ring zur Abdichtung gegenüber der Schulter 104 versehen sein. '

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Wie Fig. 8 zeigt, besitzt das Gehäuse 103 einen Zwischenteil 1O5, verbunden mit der Nabe lOO, und einen Oberteil 106, verbunden mit dem Zwischenteil 1O5, wobei der Oberteil 106 innen und außen mit einem Gewinde versehen ist.

Das Gehäuse 103 hat auch einen mit der Nabe 100 verbundenen unteren Teil 107, der auf die Nabe 36 aufgeschraubt ist.

Die gesamte Konstruktion der Sonde 10 unterhalb einer Ebene durch die Oberfläche der Nabe 36 kann identisch sein mit der Konstruktion der Sonde IO' unterhalb einer Ebene durch die Oberfläche der Nabe 36' aus Fig. 2. Damit befinden sich der Flügel 20 und der Kristall 30 in Fig. 8 an den gleichen entsprechenden Plätzen wie der Flügel 20* und der Kristall 30' in Fig. 2. Auch in Fig. 8 sind die Halbzylinder 26 * und 27' an den entsprechenden Stellen der Halbzylinder 26 und 27 in Fig. 2 zu finden. Größe, Form und Lage der Hülse 22" in Fig. 8 sind, mit der entsprechenden Größe, Form und Lage der Hülse 22 in Fig. 2 identisch.

Wie zuvor ist. die Nabe 36 in einer bestimmten Stellung gegenüber der Hülse 22' angebracht und in ihr bei 108 um das Loch 1O9 herum eingedichtet. ' ■

Das untere Ende des inneren Rohres 21' stößt an den Halbzylinder 26' an. Das untere Ende des inneren Rohres 21' ist in dem Loch 109 beweglich. Jedoch ist das innere Rohr 21' wie zuvor immer in axialer Kompression gehalten unabhängig davon, ob die Spule 24 mit Energie versorgt wird oder nicht. -

Vorzugsweise ist das Gehäuse 103 aus rostfreiem Stahl Nr. 316 oder einem anderen Material gemacht, das einen thermischen Aus— dehnungskoeffizienten hat, der von rostfreiem Stahl Nr. 416 oder Ni-Span-C, einer !legierung aus 42 % Ni, 5,5 % Cr, 2,5 % Ti und 50 % Fe, verschieden ist. Der erstgenannte rostfreie Stahl

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hat einen hohen Widerstand gegenüber Zerstörung, da er bei Kontakt mit vielen Materialien nicht korrodiert. Dieser rost- ' freie Stahl ist jedoch nicht magnetisch. Aus diesem Grund wird vorzugsweise eine ferromagnetische Unterlegscheibe 111 auf dem kegelstumpfförmigen Sitz 112 im unteren Teil 1O7 des Gehäuses 1O3 angebracht. Des weiteren ist eine ferromagnetische Hülse 113 in einer Bohrung 114 in dem unteren Gehäuseteil 107 an der gezeigten Stelle eingepaßt.

Wie zuvor ist das innere Rohr 21' sowohl ferromagnetisch als auch magnetostriktiv.

Wie zuvor kann wenn gewünscht eine Nylonspule 115 auf den äußeren Teil des inneren Rohres 21' aufgepreßt sein. Die Größen, Formen und Lagen in bezug auf das Rohr 21' der Spule 24 und der Spule 115 können mit den entsprechenden Formen, Größen und Lagen der Spule 24 * und der Spule 25 bezüglich des inneren Rohrs 21' identisch sein, vorausgesetzt, daß diese Sachlage nicht die axiale Stellung der Spule 24 und der Spule 115 berührt. Wenn gewünscht kann die axiale Stellung der Spule 24 und der Spule 115 so sein, wie in Fig. 8 gezeigt wird. Die Fig. 8 kann als ein Meßbild mit der eineinhalbfachen vollen Größe angesehen werden.

Man sieht, daß das innere Rohr 21' in Fig. 8 nicht nur durch die Unterlegscheibe 111, sondern auch durch das untere Teil 107 des Gehäuses 103, durch die Nabe 36 und durch das Loch 109 in der Hülse 22' verschiebbar ist.

Wie Fig. 8 zeigt, sitzt das obere Ende des inneren Rohrs 21' fest in einer Bohrung 116 in dem unteren Ende des Teils 102. Das Teil 102 hat ein Zwischenstück 117, einen oberen Teil 118 und einen unteren Teil 119, wobei alle miteinander verbunden sind. Der untere Teil 119 besitzt eine Bohrung 116.

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Viele Teile der Sonde 10 aus Fig. 8 sind fast symmetrisch zu einer normalerweise vertikalen Achse, die nach Fig. 8 in der Papierebene liegt, wobei diese Achse der Achse der äußeren zylindrischen Fläche des Gehäuseteils 107 entspricht.

Dem Vorhergehenden ist zu entnehmen, daß alle senkrechten äußeren Flächen des Teils 102 zylindrisch sind und die gleiche Symmetrieachse besitzen. Der Durchmesser der äußeren Fläche des unteren Teils 119 vom Teil 102 ist kleiner als der Außendürchmesser des Zwischenstücks 117.

Das Teil 102 besitzt eine senkrecht hindurchführende Bohrung 120, die durch eine zylindrische Fläche begrenzt wird, die die gleiche schon oben erwähnte Symmetrieachse besitzt. Wenn gewünscht kann der Durchmesser der Bohrung 120 gleich dem Innendurchmesser der Bohrung 121 sein, die sich durch das ganze innere Rohr 21' in senkrechter Richtung erstreckt. Die Bohrung 121 des inneren ■ Rohres wird somit durch eine Fläche begrenzt,,, die auch zylindrisch ist, und sie hat auch die gleiche oben erwähnte Symmetrieachse.

Das Teil 102 besitzt die Bohrung 122, die zu der besagten Symmetrieachse exzentrisch liegt und von der Bohrung 120 getrennt ist. Die Leitungen der Spule 24 können durch die Bohrung 122 führen. Wie zuvor können die Leitungen des Kristalls 30 durch die innere Bohrung 121 des Rohres und die Bohrung 120 des Teiles gehen. Wie zuvor kann der Differenzverstärker 61 von der Sonde oberhalb des Teils 102 innerhalb einer Kappe 126 getragen werden.

Das Teil 102 berührt keine Struktur innerhalb- oder außerhalb der Sonde 10 mit Ausnahme von zwei Bestandteilen. Der eine dieser Bestandteile ist das innere Rohr 21', dessen oberes Ende fest in der Bohrung 116 des unteren Teils 119 des Teils 102 sitzt.

Der andere Bestandteil ist eine herkömmliche Belleville-Feder 123.

Das Teil 102 ist aus einem ferromagnetischen Material.

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Das innere Rohr 21' wird durch einen Eisenring 124 in Kompression gehalten, der in den oberen Teil 106 des Gehäuses 103 eingeschraubt und durch eine Gegenmutter 125 befestigt ist. Diese ist auf das Äußere des Eisenringes 124 aufgeschraubt und :reicht bis dicht zur Oberseite des oberen Teils 106 des Gehäuses 103. Der Eisenring 124 ist in dem Gehäuseoberteil 106 genügend weit eingeschraubt, daß die Belleville-Feder 123 zusammengedrückt wird unabhängig davon, ob die Spule 24 mit Energie versorgt wird oder nicht.

Die Kappe 126 ist auf dem Gehäuseoberteil 106 aufgeschraubt. Eine herkömmliche elektrische Zuleitung kann in der Kappe 126 eingeschraubt sein, wobei ein Gewinde 127 in der mit der Kappe verbundenen Nabe 128 dafür vorgesehen ist.

Die Zuleitungen der Spule 24 und des Kristalls 3O werden in Fig. 8 der Obersicht wegen nicht gezeigt. Aus der Zeichnung und der Beschreibung von Fig. 2 liegt jedoch auf der Hand, wie sie verwendet werden können. Die Art und die Lage des Verstärkers oberhalb des Teils 1O2 in der Kappe 126 wurden ebenfalls schon beschrieben.

Entsprechend einem herausragenden Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die wesentlich schwierigere elastische Befestigung der Sonde 1OV nach Fig. 2 durch die in Fig. 8 gezeigte Konstruktion vermieden.

Das Rohr 21' liegt an dem oberen Teil der äußeren Zylinderfläche des Zylinders 26' an. Das untere Ende des Rohres 21' ist jedoch nicht mit dem Zylinder 26^f verbunden. Auch das Rohr 21 ist mit dem Zylinder 26 nicht verbunden.

Obgleich es nicht ausschlaggebend ist, welche speziellen magnetischen Materialien für das Teil 102 verwendet werden und welche

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Materialien für das Gehäuse 1O3 und das Rohr 21' verwendet, werden, wird das Rohr 21 * vorzugsweise aus der oben genannten, als Ni-Span-C bezeichneten Legierung gemacht, die normalerweise eine Dichte von 80,05 bis 8O,6 g/cm besitzt* Vorzugsweise wird das Teil 102 aus einem magnetischen Material wie rostfreiem Stahl Nr. 416 hergestellt, der eine Dichte von ca. 11,2 g/cm besitzt. ■ .

Man sieht, daß das Teil 1Ο2 wesentlich größer ist als das Rohr 21V, und zwar sowohl bezüglich des Volumens als auch des Gewichtes. Das bedeutet, daß das Teil 1O2 eine Masse besitzt, die wesentlich größer als die des Rohres 21" ist. Die Masse des Teils 102 kann z.B. mehrfach größer sein als die des Rohres 21'- Ferner kann die Masse des Teils 102 geringer, gleich oder 10 bis 80 mal größer sein als die des Roferes 21'. -

Der Mechanismus der Verbesserung bezüglich der Genauigkeit ist nicht bekannt; aber es ist bekannt, daß der Gebrauch des Teils mit einer Masse, die größer als die des .Rohres 21' ist, einen wesentlichen Frequenzfehler verhindert _f der wiederum andererseits zu einer Ungenauigkeit in der Dichteanzeige oder der Erzeugung eines ungenauen Dichteanalogsignals für den Verfahrensregler führen würde. .

Man sieht, daß die Halbzylinder 26" und 27' in Fig. 8 aus einem Stück und/oder mit dem Flügel 20 aus einem Stück sein können oder mit diesem verbunden sind, wie in den Anmeldungen P 22 11 276.1 und P 22 15 568.6 beschrieben, wird. So kann der Flügel 20 in Fig. 8, der mit dem Flügel 2O¹ in Fig. 2 identisch ist, zwischen den Zylindern 26' und 27' eingeklemmt oder mit diesen verbunden sein. ' '.-..-■ / ·· .

Die Sonde IO kann wenn gewünscht anstelle der Sonde in dem Gerät nach der Anmeldung Nr. 270 335 von G.L. Schlatter vom ilO. Juli 1972 in den USA verwendet werden.

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Wenn das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 verwendet wird, ist der Wechselanteil des Ausgangssignals des Verstärkers 92 f, wobei f die Frequenz des Ausgangssignals des Kristalls 30 ist. Wird die Sonde 10 anstelle der in der ' oben genannten Anmeldung beschriebenen Sonde verwendet, beträgt das Ausgangssignal des Treiber- oder Leistungsverstärkers f/2. So ist in diesem Fall das Spuleneingangssignal Kl/2, wobei A die Zahl 1 oder 2 sein kann.

Man erkennt, daß in Fig. 8 der Eisenring 124 einen Bereich besitzt, an dem die obere Kante der Feder 123 angreift, und einen Punkt längs der Länge, an dem er an dem Gehäuse 1O3 durch Verschraubung mit dem Gehäuse 103 und der Gegenmutter 125 befestigt ist.

Man erkennt auch, daß in Fig. 8 das Teil 102 einen Abschnitt besitzt, wo die untere Kante der Feder 123 es gegen das untere Ende des Gehäuseteils 119 drückt. Dieser Abschnitt besitzt eine Masse, die größer ist, und zwar wesentlich größer, als die des Rohres 21'. In einer typischen, jedoch nicht notwendigen Weise besitzen das Teil 102 und das Rohr 21' Längen, die der gleichen Größenordnung entsprechen. Das Teil 102 hat einen mittleren Querschnitt, der wesentlich größer ist als der des Rohres 21'.

Der Ausdruck "Anwendungsvorrichtung" ist hierin so definiert, daß er ein Voltmeter, ein Amperemeter oder Milliamperemeter, die auf Dichte geeicht sind, sowie einen Verfahrensregler oder dergleichen einschließen kann, aber nicht muß.

Wenn ein Spannungs-Strom-Wandler zwischen die Schaltung 95 und >»

das Anzeigegerät 96 in Fig. 7 zwxschengeschaltet ist, kann das Anzeigegerät 96 ein Milliamperemeter oder ein Amperemeter sein, das in Dichte geeicht sein kann oder nicht.

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Wenn das Anzeigegerät 96 ein Voltmeter ist, kann es nach Wunsch in Dichte geeicht sein oder auch nicht.

Auf Wunsch kann ein Verfahrensregler direkt an die Schaltung anstelle des Anzeigegerätes 96 angeschlossen sein.

Der Ausdruck "Dichte" ist hierin so definiert, daß er das spezifische Gewicht angiebt, aber nicht darauf begrenzt ist, da das spezifische Gewicht lediglich die Dichte geteilt durch die Dichte von Wasser darstellt, die eine Konstante ist.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   Vibratiönsdensitometersonde mit einem elektromagnetischen Oszillator, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1O3), an dem eine Schwinganordnung befestigt ist, ein erstes Teil (124) , das an dem Gehäuse befestigt ist, ein zweites Teil (102) , ein magnetostriktives drittes Teil (21¹J , dessen eines Ende mit der Schwinganordnung im Eingriff steht, dessen anderes Ende an dem einen Ende des zweiten Teils (1O2) befestigt ist, eine Federvorrichtung (123) , die mit dem ersten Teil (124) und dem zweiten Teil (102) so verbunden ist, daß sie das zweite Teil (102) und das dritte Teil (21') in Kompression mit dem einen Ende des dritten Teils (21*) hält in Druckkontakt mit der Schwinganordnung, eine Antriebs spule (24) , die zwischen dem zweiten Teil und der Scbwinganordnung liegend xm das dritte Teil (21') herum angebracht ist, einen an der Schwinganordnung befestigten Aufnehmer, der bei Energiezufuhr am Ausgang ein Wechselsignal von einer Frequenz besitzt, die der Resonanzfrequenz der Schwinganordnung entspricht, eine Rückkopplungsschleife zwischen Aufnehmerausgang und Spule (24), um dieser ein Signal aufzudrücken, das einen Wechselanteil der Frequenz Af/2 besitzt, wobei A die Zahl 1 oder 2 ist, xvobei die Schleife aus einer ersten Einrichtung zur Erzeugung eines f direkt proportionalen Ausgangssignals besteht, ferner durch einen Verstärker mit einer Wirkung, die die Schwinganordnung in eine kontinuierliche Schwingung bei der besagten Resonanzfrequenz versetzt, und schließlich durch eine Anwendungseinrichtung, die an die Einrichtung angeschlossen ist, um deren Ausgangssignale aufzunehmen.

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   Vibrationsdensitometersonäe nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinganordnung aus einem rechteckigen, flachen Flügel (20) besteht, der eine im Vergleich zur Länge und Breite geringe Dicke besitzt^ daß der Flügel (2G) mit zwei gegenüberliegenden parallelen Kanten an einem inneren Hohlzylinder befestigt ist an zwei entgegengesetzt liegenden axialen Linien auf der inneren zylindrischen Oberfläche desselben, daß der innere Zylinder über seine ganze Länge eine im wesentlichen gleiche Wandstärke besitzt, daß ein äußerer Zylinder an dem Gehäuse (1Q3) befestigt ist und konzentrische innere und äußere Flächen besitzt, daß der nicht unter Druck stehende Innendurchmesser des äußeren Zylinders kleiner ist als der nicht unter Druck stehende Außendurchmesser des inneren Zylinders, so daß diese bei gleicher Temperatur einen Paßsitz aufweisen, daß der Aufnehmer ein piezoelektrischer Kristall (30) ist, der zwischen den Zylindern an der einen Ecke des Flügels (2O) angebracht ist, daß das dritte Teil .-(2I¹) aus einem Körper besteht, äer eine zylindrische Außenfläche besitzt mit einer Symmetrieachse, senkrecht zu der Ebene des Flügels (20) und diesen im Zentrum durchschneidend, daß die Hülse (22') ein Loch. ■ (109) in der Wand aufweist/ das von einer zylindrischen Fläche begrenzt wird und in dem das eine Ende des dritten Teils (21¹) nach dem Zusammenbau beweglich gelagert "ist, daß die Spule (24) an dem dritten Teil (21') befestigt ist, daß die Federung (123) aus einer Belleville-Feder besteht mit parallelen, kegelstumpfförmigen Oberflächen, begrenzt durch parallele Ebenen senkrecht zu deren Achsen, daß das erste Teil (124) eine dem zweiten Teil (102) zugekehrte Oberfläche besitzt„ daß das erste Teil (124) eine zylindrische Innenfläche besitzt,, daß das zweite Teil (102) einen Ansatz mit zylindrischer Außenfläche-besitzt, daß der ■ Ansatz sich zumindest teilweise in das Loch hinein erstreckt, daß die Innenfläche des ersten Teils (124) und die Außenfläche des Vorsprungs des zweiten Teils konzentrisch liegen

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   und die gleiche Symmetrieachse besitzen, daß der Außendurchmesser des Vorsprungs etwas geringer ist als der kleinste Innendurchmesser der Feder (123), daß der Ansatz durch die Feder (123) hindurchführt und daß das erste Teil (124) eine ringförmige Kerbe besitzt, in der die äußere ringförmige Kante der Feder (123) fest eingebettet ist.

   3. Vibrationsdensitometersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (103) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich zumindest von einem der Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Teils (102) oder des dritten Teils (21') unterscheidet.

   4. Vibrationsdensitometersonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Hasse des zweiten Teils (102) zu der des dritten Teils (21') größer als 1 ist.

   5. Vibrationsdensitometersonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1O3) nicht magnetisch ist, daß das zweite Teil (102) und das dritte Teil (21') magnetisch sind, daß eine hohlzylindrische, magnetische Hülse (113) um die Spule (24) herum in dem Gehäuse (103) angebracht ist, daß die Hülse (113) ein dem zweiten Teil (102) benachbart liegendes Ende aufweist, daß eine magnetische Unterlegscheibe (111) an dem Gehäuse (1O3) um das dritte Teil (21') herum, jedoch von ihm getrennt, angebracht ist, daß die Unterlegscheibe (111) sich radial nach allen Richtungen von einer Position aus erstreckt, die der Kante des anderen Endes der Hülse (113) zum dritten Teil (21') hin benachbart ist.

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