DE2402986A1

DE2402986A1 - Messumformer zur messung der dichte von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2402986A1
Application number: DE2402986A
Authority: DE
Inventors: Franz Xaver Dr Ing Gschwind
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-23
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1975-12-11

Description

Meßumformer zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte von Flüssigkeiten, insbesondere von Medien wie z.B. der Bierwürze während der Gärung.
Bei gärenden Medien besteht ein direkter Zussmmenhang zwischen der Dichte und dem Vergärungsgrad. Da eine automatische Steuerung des Gärprozesses z.B. durch Regelung der Temperatur des Gärmediums im wesentlichen vom jeweiligen Vergärungsgrad bestimmt wird, kann diese Steuerung über eine Dichtemessung erfolgen.
Es ist bekannt, diese Dichte mittels Auftriebsspindeln durch Messung von Hand zu bestimmen. Derartige Auftriebsspindeln lassen sich dadurch automatisieren, daß man die von der Dichte abhängige Eintauchtiefe der Spindel über eine Wegmessung, z.B. durch induktive Abtastung, in ein elektrisches Ausgangssignal umsetzt.
Ferner gibt es Meßumformer für Dichte, bei denen über eine Kraftmessung der Auftrieb eines Eintauchkörpers gemessen wird (z.B. Teleperm-Meßumformer M 618 mit Dehnungsmeßstreifen der Siemens AG).
Weiter ist bekannt, die Dichte von Flüssigkeiten mit Hilfe von Meßumformern nach dem sogenannten I?Einperlverfahren1, zu bestimmen (z.B. Apparatebau Samson, 6 Frankfurt 1), bei dem in die Flüssigkeit gedrosselte Druckluft eingeperlt wird.
Mit Hilfe radiometrischer Dichtemeßgeräte lassen sich ebenfalls Dich.temessungen durchführen. Dabei wird der Zusammenhang zwischen der Absorption radioaktiver Strahlung und der Dichte des absorbierenden Mediums meßtechnisch ausgenützt.
Die bekannten Dichtemeßgeräte sind bei gärenden Flüssigkeiten nicht einsetzbar, weil die unvermeidbar auftretenden starken Ablagerungen eine Messung unbrauchbar oder den Reinigungsaufwand untragbar aufwendig machen. Eine einfache und vor allem mikrobiologisch einwandfreie Reinigung mit in Gärgefässen vorhandenen automatischen Reinigungsanlagen (Sprühanlagen) ist jeaoch eine wesentliche Voraussetzung für den praktischen Einsatz.
Viele bekannte Dichtemeßgeräte sind außerdem bei gärenden Medien nich.t verwendbar, weil sie die4hierfür notwendige Meßempfindlichkeit der Größenordnung 10 nicht besitzen. Geräte, welche diese Auflösung besitzen, sind reine Labormeßgeräte, die für den rauhen praktischen Betrieb nich.t geeignet sind und bei denen der Installations- und Wartungsaufwand zu hoch ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichte von Flüssigkeiten, insbesondere von gärenden Medien, mit geringem Aufwand und hoher Auflösung bei einfacher Möglichkeit der Reinigung des Meßgerätes zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß.dadurch gelöst, daß sich in einem allseitig dich.ten zweiteiligen Gehäuse eine Flüssigkeit befindet, deren Dichte annähernd gleich der Dichte des zu messenden Mediums ist, in das der Meßumformer vollständig eingetaucht ist. Eine Mittenmembrane teilt das Gehäuse in einen oberen und unteren Teil druckdicht ab. Die innere Flüssigkeit der beiden Gehäuseteile steh.t jeweils mit einer Trennmembrane in Verbindung. Die Trennmembranen schließen die beiden Gehäuseteile so ab, daß ein auf die Membranen von außen ausgeübter Druck auf die innere Flüssigkeit übertragen wird. Eine an den Trennmembranen infolge eines Unterschiedes der Dichten des äußeren und inneren Mediums wirkende Druckdifferenz wird an der Mittenmembrane wirksam. Die Mittenmembrane wird von zwei Membrantellern gestützt. Diese übertragen die dem Dichteunterschied zwisch.en dem äußeren und dem inneren Medium entsprech.ende Druckdifferenz als Kraft auf eine Führungsstange.
Diese Führungsstange ist mit Hilfe einer federnden Aufhängung reibungsfrei gelagert. Zwei verstellbare Anschlagelemente begrenzen zusammen mit einem Steg die Achsialbewegung der Membranteller nach. oben und nach unten einstellbar.
Ein Elektromagnet übt mit Hilfe seiner Spulen eine Kraft auf einen mit der Führungsstange verbundenen Anker aus. Die Spulen werden über eine elektronische Regelschaltung jeweils so erregt, daß die von dem Elektromagnet auf den Anker ausgeübte Kraft zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt gleich der Summe der auf die Membranteller einwirkenden Kräfte ist. Der Strom durch die Spulen ist ein Maß für den Dichteunterschied der beiden Medien.
Eine analoge oder digitale Wegmeßeinrichtung setzt die Achsialbewegung der Membranteller in ein elektrisches Signal um, das als Regelgröße auf die elektrische Regelschaltung einwirkt. Der Spulenstrom und damit die Magnetkraft werden so gesteuert, daß die Membranteller unabhängig von ihrer Be- und Entlastung auf ihrer vorbestimmten Höhenstellung bleiben und sich. damit ein konstanter Luftspalt zwischen Magnet und Anker einstellt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Dichte auch von stark verschmutzten, breiartigen oder gärenden Flüssigkeiten mit geringem Aufwand, aber mit einer für die Steuerung des Gärprozesses erfDrderlich.en hohen Auflösung kontinuierlich. gemessen werden können. Das Geräte ist robust aufgebaut und desh.alb-für den rauhen praktischen Betrieb geeignet.
Als Zuleitung wird nur ein elektrisches Kabel benötigt, so daß der Installationsaufwand sehr gering Ist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteh.t darin, daß das Gerät auch automatischen Reinigungsanlagen leicht zu reinigen und zu desinfiszieren ist, da das Gerät völlig geschlossen ist und somit ganz in das zu messende Medium eingetaucht werden kann. Da das Gehäuse des Gerätes nur aus Materialien besteht, die nach. dem Bebensmittelgesetz zugelassen sind, kann der Meßfühler unbedenklich bei der tebensmittelherstellung z.B. in der Getränkeindustrie eingesetzt werden.
Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Meßumformer mit nur geringfügiger Abänderung auch. für die Messung von Druck, Differenzdruck und Höhenstand eingesetzt werden kann.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 ein Schnittbild einer Ausführungsform des Dichtemeßfühlers, Fig. 2 eine schematische Darstellung der an den Membranen wirkenden Drücke, Fig. 3 eine Kennlinie des Meßfühlers, und Fig. 4 eine gerätetechnische Darstellung einer Meßanordnung zur Messung der Dichte strömender Medien.
In Fig. 1 ist ein Meßfühler dargestellt, der in eine Flüssigkeit vollständig eintaucht, deren Dichte so bestimmt werden soll. Er besteh.t im wesentlichen aus einer oberen und unteren Gehäusehälfte 1 und 2, die vorzugsweise aus rostfreiem Material gefertigt sind. Ein angeschweißtes Rohr 3 dient zur Befestigung des Meßfühlers und zur Aufnahme der elektrischen Versorgungsleitung 4.
Beide Gehäuseteile sind mit einer Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser, der Dichte S W luftblasenfrei gefüllt, wobei eine Mittenmembrane 5 den oberen Flüssigkeitsraum vollständig von dem unteren trennt.
An jede Gehäusehälfte ist ein Rohr angeschweißt, an dem ein weiteres Gehäuse angebracht ist. Dieses Gehäuse trägt eine Membrane 6 bzw. 7, die eine Trennung zwischen dem zu messenden Medium und der inneren Flüssigkeit des Fühlers bewirkt. Beide Membranen übertragen den statischen Druck der äußeren Flüssigkeit vollständig auf die innere Flüssigkeit. Sie können aus Metall oder aus kunststoff wie z.B. Teflon bestehen.
Die Mittelpunkte der beiden runden Membranen sind im Abstand h voneinander entfernt, wobei sich. der Fühler immer senkrecht in der zu messenden Flüssigkeit befindet.
Ist so gleich stn si sind alle Flüssigkeitsteilchen im statischen Gleichgewicht und die drei Membranen 5, 6 und 7 können entfernt werden, ohne daß sich an dem Gesamtsystem etwas ändert. Sind jedoch die Dichtewerte der beiden Flüssigkeiten verschieden, so muß von der Mittelmembrane ein Druck auf die innere Flüssigkeit ausgeübt werden, um das statische Gleichgewicht herzustellen.
Dieser Druck Px hängt von der Größe des Dichteunterschiedes ab und läßt sich aus der Darstellung der Fig. 2 herleiten. Die Druckverhältnisse an den Membranen des Meßfühlers der Fig. 1 werden vollständig durch die Fig. 2 beschrieben, in der die drei Membranen 5, 6 und 7 zur Vereinfachung in waagrechter Lage gezeichnet sind. Die Höhen h1 und h2 bezeichnen den senkrechten Abstand der Membranen 6 und 7 von der Flüssigkeitsoberfläche.
In Fig. 2 sind die verschiedenen Drücke entsprechend der Richtung, in der sie wirken, durch. Pfeile gekennzeichnet. Im Gleichgewichtsfall müssen sich an allen 3 Membranen die Drücke aufheben.
Beispielsweise wirkt auf die untere Membrane von außen, d.h. von unten-, der Druck SM.h2.g, also der statische Druck einer Flüssigkeitssäule der Dichte SM und der Höhe h2 Von innen, d.h. von oben, wirkt der Druck h1. SM. g, wie er auch auf die obere Membrane von oben wirkt, da in einer Flüssigkeit der Druck an derselben Stelle nach unten, nach der Seite und nach oben gleich groß ist.
Dazu kommt noch der Druck infolge des Gewichtes der Flüssigkeit, die sich zwischen der oberen und der unteren Membrane befindet.
Dieser Druck ist (h2 - h1). 3W g. Damit an der unteren Membrane GleichgewQcht herrscht, wird von der Membrane 5 ein zusätzlicher Druck px erzeugt und somit lautet die Gleichung für das Gleichgewicht: SM. h2. g = Px + h1. SM.g + (h2 - h1).Sw.g, d.h.
px = (SM - Sw)- h Ist SM größer als W' wie in der beschriebenen Ausführungsform, so muß Px nach. unten wirken, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.
ist bei konstanten Abstand h ein direktes Maß für den Unterschied der beiden Dichten.
Soll eine absolute Dichtemessung durchgeführt werden, so muß SW vernachlässigbar klein gegenüber SM gewählt werden. Dies erreich.t man beispielsweise dadurch, daß man das Gehäuse 1, 2'mit einer Flüssigkeit füllt, in die man eine Vielzahl'von Sufth.ohlräumen mit konstanten Volumen einbringt, die leicht verschiebbar sind und sich somit wie Flüssigkeitsteilchen verhalten. Dadurch weist die Flüssigkeit in der Summe eine sehr geringe Dichte auf. Diese Lufthohlräume lassen sich z.B. durch winzige Kügelchen, ähnlich Tischtennisbällen, oder durch aufgeschäumte Kunststoffe realisieren.
Bei-- der -Ausführungsform nach Fig. 1 wird der Druck Px mit Hilfe der Membranteller 8 erzeugt, die die elastische und rückwirkungsfreie Membrane 5 stützen. Die Membranteller 8 sind an einer Führungsstange 9 befestigt, die von zwei beidseitig eingespannten Blattfedern 10 und 11 getragen wird. Beide Blattfedern können zur Erhöhung der Seitenstabilität der Führungsstange um 180° zueinander versetzt sein. Sie ermöglichen eine reibungsfreie Bewegung der Führungsstange 9.
Mit Hilfe der beiden Anschlagringe 12 und 13 und dem Steg 14 wird die Bewegung der Membranteller 8 bis auf ein kleines Spiel begrenzt. Am oberen Ende der Führungsstange 9 ist ein weichmagnetischer Anker 15 befestigt, der, nur durch. einen Luftspalt 16 getrennt, einem ebenfalls weichmagnetischen Spulenkern 17 gegenüberliegt, der im Innern zwei hermetisch abgeschlossene Spulen 18 und 19 trägt.
Fließt Strom durch. diese Spulen, so wird eine Anziehungskraft auf den Anker und damit auf die Membranteller ausgeübt. Damit kann der Druck, den die Membranteller auf die innere Flüssigkeit ausüben, verändert werden. Die Membranteller wirken somit nicht mit ihrem vollen Gewicht und dem Gewicht der an der Führungestange befestigten Bauteile auf die Flüssigkeit, sondern nur mit einer um die Anziehungskraft des Magneten verringerten Druckkraft.
Damit der Luftspalt 16 immer konstant bleibt und die Membranen 5, 6 und 7 und die Blattfedern 10'und 11 trotz sich ändernder Dichte M und damit sich änderndem Ausgleich durch Px nicht ausgelenkt werden, werden die Membranteller 8 mit Hilfe einer Wegmeßeinrichtung 20, 21 und einer Regelschaltung auf konstanter Höhe gehalten. Die Wegmeßeinrichtung besteht in der Ausführungnach Fig. 1 aus einer Differentialfeldplatte 20, die über einen eingebauten Permanentmagneten magnetisch.e vorgespannt ist, und aus einem weichmagnetischen Körper 21, der bei Auslenkung das vorgespannte Magnetfeld verzerrt und damit die Differentialfeldplatte aussteuert.
Bei einer anderen Ausführungsform ist das Teil 21 eine Lichtquelle und das Teil 20 ein Lichtsensor, der die Bewegung der Füh.rungsstange in ein elektrisches Signal umsetzt.
Die Zuleitung zur Feldplatte 20 erfolgt in einem druckfesten Rohr 22, das in den Raum 23 führt, dg mit dem Außendruck in Verbindung ist. Der Raum 23 wird mit Hilfe des 0-Ringes 24 und der Druckplatte 25 abgedich.tet. DieDruckplatte 25 trägt den Magneten 17 und ist mit dem Steg 14 starr verbunden.
Der innere Aufbau des Meßfühlers wird von den beiden über Schrauben starr gekoppelten Ringen 26 und 27 getragen und ist durch die Winkel 28 mit dem Gehäuse 1 verbunden.
Der Meßfühler wird vor Inbetriebnahme über die beiden Einfüllöffnungen 29 und 30 mit Wasser gefüllt. Dabei ist darauf zu ach.ten, daß keine Luftblasen zurückbleiben.
Die beiden Gehäusehälften 1 und 2 werden vorzugsweise so ausgebildet, daß ihre Flüssigkeitsvolumina gleich groß sind, damit bei einer Ausdehnung der Flüssigkeiten in den beiden Hälften infolge Temperaturänderung kein Meßfehler entsteht.
Ist die Volumeausdehnung der inneren Flüssigkeit sehr groß, so kommt es zwar bei-gleich.en Flüssigkeitsvolumina zu keiner Krafteinwirkung auf die Mittenmembrane, die beiden Trennmembranen werden jedoch stark ausgebeult. Um dieses zu verhindern, können zwei Ausgleichskörper 31, 32 in den beiden Gehäuseteilen untergebrach.t werden. Diese Körper haben die Eigenschaft, ihr Volumen bei zunehmender Temperatur zu verkleinern. Die Volumenabnahme muß dabei so groß sein wie die Volumenzunahme der inneren Flüssigkeit.
Ein derartiger Ausgleich.skörper läßt sich beispielsweise mit Hilfe eines Membranbalges realisieren, der von einem Metallstift über ein Hebelwerk mit einstellbarem tfb er se tzungsverh.ältnis bei zunehmender Temperatur zusammengedrückt wird.
Statt der Ausdehnung eines Metall stiftes kann durch geeignete konstruktive Maßnahmen auch eine Flüssigkeit das Zusammendrücken des Membranbalges bewirken. Die Flüssigkeit muß jedoch so abgeschlossen sein, daß ihre Ausdehnung ohne Einwirkung auf das Volumen der inneren Flüssigkeit bleibt.
Die Regelschaltung zur Erzielung einer konstanten Höhe des Membrantellers unabhängig von seinem Belastungszustand besteht z.B. aus einem als PI-Regler beschalteten Operationsverstärker, der über einen Leistungstransistor den Strom durch die Spulen 18 und 19 so aussteuert, daß sich immer ein konstanter Luftspalt 16 einstellt.
Bei der in Fig. 1 gezeichneten Magnetanordnung ergibt sich eine radizierende Kennlinie des Fühlers, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Der Spulenstrom I ist als Funktion der Magnetkraft F gezeichnet.
Für einen konstanten Luftspalt gilt: IffF. In manchen Fällen ist der stark gekrümmte Verlauf der Kennlinie der Fig. 3 nicht erwünscht. Dann arbeitet man besser mit dem Teil B dieser Kennlinie, dessen Krümmung wesentlich. geringer ist..Man kann beispielsweise die Spule 18 mit einem konstanten Strom I 18 erregen und die Regelung nur mit dem Strom 119 der Spule 19 ausführen, so daß die Aussteuerung abhängig von der Belastung nur mit dem Teil B der Kennlinie erfolgt. Durch die Aufteilung der Spulen kann 119 z.B. die Werte 0 bis 20mA annehmen. Dieser Strom ist gleichzeitig das elektrische Meßsignal der Dichteunterschiedsmessung und da er geregelt ist, handelt es sich um einen eingeprägten Strom, der fast beliebig fernübertragen werden kann. Mit Hilfe der Spule 18 kann z.B. eine Temperaturkompensation durchgeführt werden. Für diesen Zweck befindet sich in dem Block 20 im einfach.sten Fall ein Siliziumtransistor.
Der Temperaturkoeffizient seiner Basis-Emitter-Spannung kann dann zur Bestimmung der Temperatur verwendet werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird nur der Teil B der Kennlinie der Abb. 3 für die Meßwertanzeige verwendet, und zwar entspricht-ein Strombereich von 0 bis 20mA einem Bereich des Dichteuntersch.iedes von 0,045 bis 0 g/cm3.
Ist der Dichteunterschied zwischen SM und SW O, z.B. bei Eintauchen des mit Wasser gefüllten Fühlers in Wasser, so muß der volle Spulenstrom 119 fließen, da der Auftrieb der inneren Flüssigkeit gegenüber der äußern 0 ist. Der Konstantstrom I18 fließt immer.
Erhöht sich die Dichte der äußeren Flüssigkeit, so erfährt die innere Flüssigkeit einen Auftrieb, der auf den Membranteller 8 wirkt und ihn zu heben versuch.t. Die Wegmeßeinrichtung 20, 21 registriert ein Anheben des Membrantellers und gibt diese Information als Analogsignal an den Regelkreis weiter, der den Spulenstrom so weit absenkt, daß wieder bei vorgegebenem Luftspalt 16 Kraft- bzw. Druckgleichgewicht herrscht.
Die Abnahme des Spulenstrom 119 ist entsprechend der Kennlinie der Fig. 3 ein Maß für die Zunahme der Dichte SM.
Ist ein exakt linearer Zusammenhang zwischen Spulenstrom und Magnet-Haltekraft bei konstantem Luftspalt erwünsch.t, also eine lineare Kennlinie, so muß statt des Magnetsystems der Fig. 1 ein Tauchspulensystem gewählt werden, bei dem der Anker 15 der Fig. 1 durch eine Tauchspule ersetzt ist. Diese Tauchspule tauch.t in das von einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld ein. Die auf die Tauchspule ausgeübte Kraft ist dabei proportional der Stärke des Magnetfeldes, der Windungszahl und dem Spulenstrom der Tauchspule. Da das Magnetfeld und die Windungszahl konstant sind, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Kraft und Spulens*r.nm.
Wird nicht nach dem Kompensationsprinzip gearbeitet, d.h.
kommt es zu einer bleibenden Auslenkung der Membranen in Abh.ängigkeit von der Druckdifferenz bzw. von dem Dichteunterschied, so entfällt das Magnetsystem 15 bis 19. Als Meßsignal kann dann direkt das Signal der Wegmeßeinrichtung 20, 21 verwendet werden.
Die notwendige Gegenkraft zur Aufrech.terhaltung des Gleich.-gewichtes wird in diesem Fall nicht meht vom Magnetsystem, sondern durch die Auslenkung von Federelementen erzeugt. Als Federelemente können versch.iedene Bauteile der Ausführungsform nach Fig. 1 eingesetzt werden: die. Trennmembrane 6 oder 7 oder beide, die Mittenmembrane 5 oder die Aufhängung 1o, 11.
Das Meßsignal kann wie in Fig. 1 als Auslenkung der Mittenmembrane gewonnen werden oder nach. allen bekannten Verfahren der Wegmessung, wie z.B. durch Dehnungsmeßstreifen, die auf den Membranen 6 und 7 oder auf der Mittenmembrane 5 aufgebrach.t werden können.
Beim Einsatz des Meßfühlers in gärenden Medien zur Bestimmung des Gärverlaufes kann es zu einem statistisch schwankenden Ausgangssignal kommen. Die Ursache dafür liegt darin, daß eine Gärung nicht homogen im gesamten Medium verläuft, sondern daß sich. verschiedene Gärzentren ausbilden, wodurch stochastisch verteilte Druckwirbel entsteh.en, deren Druckwellen die Trennmembranen 6 und 7 auslenken. Zur Verringerung dieses Störeinflusses wird die Regelschaltung elektrisch. gedämpft, d.h.
die Anzeige wird träger und mittelt die Schwankungen aus.
Zusätzlich. können vor die Trennmembranen 6 und 7 Schutzbleche oder Kappen 33, 34 gesetzt werden, die entweder durchlöchert oder seitlich offen sein können. Diese verh.indern zusätzliche Meßfehler, die bei bewegten Medien durch Anströmen der Trennmembranen hervorgerufen werden.
Soll der Meßfühler nicht in das zu messende Medium eingetaucht, sondern an der Außenwand z.B. von Gärgefäßen angebracht werden, so wird die Halterung der Trennmembranen 6 und 7 als Anflanschvorrichtung ausgebildet.
Die Ausführungsform der Fig. 1 ist nicht nur für Dichtemessungen einsetzbar, sondern mit nur geringen Abwandlungen auch zur Messung von Druck, Differenzdruck und Höhenstand verwendbar.
Für Druck- bzw. Differenzdruckmessung muß lediglich jeweils eine Druckzuleitung an die Gehäuse der Trennmembranen 6 und 7 angeflanscht werden. Dabei können Drücke beliebiger Medien wie s z.B. von Gasen, Dämpfen und agressiven Flüsigkeiten gemessen werden, wobei die innere Flüssigkeit als Pufferflüssigkeit wirkt.
Ist eine Pufferung nicht nötig, z.B. bei luft als Druckmedium, so kann auf die Trennmembranen 6 und 7 auf die innere Flüssigkeit verzichtet. werden.
Eine Höhenstandsmessung von Flüssigkeiten läßt sich beispielsweise damit durchführen, daß man die obere Trennmembrane außerhalb der Flüssigkeit anbringt, während sich. die untere Trennmembrane in der Flüssigkeit befindet. Je tiefer diese Membrane eintauch bzw. äe höher das Flüssigkeitsniveau ist, um so größer ist der Druck auf die Membrane und um so größer muß der von dem Membranteller ausgeübte Kompensationsdruck Px sein.
Bei einer anderen Ausführungsform wird für die Höhenstandsmessung nur eine Trennmembrane verwendet, während die andere Gehäuseh.älfte abgeschlossen ist. In dem abgeschlossenen System befindet sich jedoch. ein kleines Luftvolumen, das äe nach Druckverhältnisse meh.r oder weniger komprimiert wird. Dieses Luftvolumen kann z.B. durch eine druckdicht abgeschlossene, aber elastisch.e Metalldose realisiert sein, die mit Luft gefüllt ist. Im einfachsten Fall genügt sogar das Vorhandensein von einigen Luftblasen in der abgeschlossenen Systemhälfte.
Wichtig ist nur, daß in diesem Geh.äuseteil ein komprimierbares Medium vorhanden ist, da Wasser inkompressibel ist und andernfalls die eine noch vorh.andene Trennmembrane nicht ausgelenkt werden kann.
Sei schnell strömenden Flüssigkeiten, z.B. bei Flüssigkeiten, die durch Rohre geleitet werden, ist die Ausführungsform der Fig. 1 selbst mit den Anström-Schutzkappen 33 und 34 nicht mehr einsetzbar, da dann dynamische Druckverhältnisse vorliegen. Mit einer Hilfe geeigneten Meßanordnung kann jedoch die Ausführungsform der Fig. 1 auch bei strömenden Medien für Dichtemessungen eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt in gerätetechnischer Darstellung eine geeignete Meßanordnung. Zusätzlich zum Meßfühler 38 in der .Ausführungsform der Fig. 1 werden eine Normblende 35 benötigt, wie sie für Durchflußmessungen nach dem Wirkdruckverfahren bekannt ist, ein Meßfühler 36 für Volumendurchflußmessung z.B.
nach. dem induktiven Verfahren, und ein Rechenbaustein 37, der sowoh.l quadrieren als auch. dividieren kann.
Der Meßfühler 38 wird als Differenzdruckumformer an die Rohrleitung 39, durch die das Meßgub strömt, vor und hinter der Normblende 35 angeschlossen. Dabei kann der Fühler mit Trennmembranen und innerer Flüssigkeit oder ohne Trennmembranen und ohne innere Flüssigkeit verwendet werden, wie bei der Differenzdruckmessung besch.rieben.
Der Fühler 38 formt die Differenz der vor und hinter der Blende 35 herrschenden Staudrücke in ein elektrisches Signal um, das auf einen Eingang des Rechenbausteines 37 gegeben wird. Dem zweiten Eingang des Rechenbausteines 37 wird ein elektrisches Signal zugeleitet, das dem Volumendurchfluß Q des Meßgutes proportional ist und von dem Meßumformer 36 gebildet wird. Der Rechenbaustein 37, der beispielsweise aus Analogschaltungen bestehen kann, berechnet aus den beiden Größen p und Q nach der Gleichung = E.Ap/Q2 die Dich.te des Meßgutes, die als elektrisches Signal an seinem Ausgang anliegt. K ist dabei ein konstanter Faktor, der sich experimentell bestimmen läßt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h. e

O Meßumformer zur Messung der Dich.te von Flüssigkeiten, insbesondere von gärenden Medien, dadurch g e k e n n z e i c h.-n e t, daß sich in einem allseitig dichten zweiteiligen Gehäuse (1,2) eine Flüssigkeit befindet, deren Dichte annähernd gleich der Dichte des zu messenden Mediums ist, daß eine Mittenmembrane (5) das Gehäuse in einen oberen (1) und unteren (2) Teil druckdicht abteilt, daß die innere Flüssigkeit der beiden Gehäuseteile jeweils mit einer Tremnmembrane (6) bzw. (7) in Verbindung steht, daß diese Trennmembranen (6,7) die beiden Gehäuseteile so abschließen, daß ein auf die Membranen von außen ausgeübter Druck auf die innere Flüssigkeit übertragen wird, daß eine an den Trennmembranen (6,7) infolge eines Unterschiedes der Dichten des äußeren und inneren Mediums wirkende Druckdifferenz an der Mittenmembrane (5) wirksam wird, daß die Mittenmembrane (5) von zwei Membrantellern (8) gestützt wird, daß diese Membranteller (8) die dem Dichteunterschied zwischen dem äußeren und dem inneren Medium entsprechende Druckdifferenz als Kraft auf eine Führungsstange (9) übertragen, daß die Füh.rungsstange (9) mit Hilfe einer federnden Aufhängung (10,11) reibungsfrei gelagert ist, daß zwei verstellbare Anschlagelemente (12,13) zusammen mit einem Steg (14) die Achsialbewegung der Membranteller (8) nach. oben und nach. unten einstellbar begrenzen, daß ein Elektromagnet (17) mit Spulen (18,19) eine Kraft auf einen mit der Führungsstange (9) verbundenen Anker (15) ausübt, daß die Spulen (18,19) über eine elektronische Regelsch.altung jeweils so erregt werden, daß die von dem Elektromagnet (17) auf den Anker (15) ausgeübte Kraft zu jedem Zeitpunkt entgegengesetzt gleich. der Summe der auf die Membranteller (8) einwirkenden Kräfte ist, daß der Strom durch die Spulen (18,19) ein Maß für den Dichteunterschied der beiden Medien ist, daß eine analoge oder digitale Wegmeßeinrichtung (20,21) die Ach.sialbewegung der Membranteller (8) in ein elektrisches Signal umsetzt, daß dieses elektrische Signal als Regelgröße auf eine elektrisch.e Regeleinrichtung einwirkt, und daß der Spulenstrom und damit die Magnetkraft so gesteuert werden, daß die Membranteller (8) unabhängig von ihrer Be- und Entlastung auf ihrer vorbestimmten Höhenstellung bleiben und sich. damit ein konstanter Luftspalt (16) zwischen Magnet und Anker einstellt.
2. Meßumformer nach. Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Erzielung eines linearen Zusammenhanges zwischen Meßsignal und Dichteunterschied der Anker (15)durch eine Tauchspule ersetzt ist, daß diese Tauchspule in das Magnetfeld des Magneten (17) eintaucht, daß das Magnetfeld des Magneten (17) von einem Permanentmagneten oder einer Spule in einer konstanten Stärke erzeugt wird, und daß der Tauchspulenstrom ein Maß für den Dichteunterschied ist oder daß die Tauchspule von einem konstantem Strom durchflossen wird und der Spulenstrom des Magneten (17) das Regelsignal ist.
3. MeSumformer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t- , daß die durch. einen Dichteunterschied .zwischen dem äußeren und inneren Medium verursachte und auf die Membranteller (8) wirkende Kraft durch die federnde Auslenkung der Trennmembranen (6,7) oder der Aufhängung (10,11) oder einer federnden Mittenmembrade (5) aufgenommen wird, und daß diese Auslenkung ein Maß für den Dichteunterschied ist.
4. Meßumformer nach. den Anspiüch.en 1 bis 3, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Messung der Auslenkung der Membranen (5,6,7) sowohl für das Kompensations- als auch für das Ausschlagsverfah.ren durch Messung der Verformung der Membranen (5,6,7) oder der Aufhängung (1o,11) z.B. mit Hilfe aufgeklebter oder aufgedampfter Dehnungsmeßstreifen erfolgt.
5. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die Volumina der inneren Flüssig -keiten im unteren und oberen Teil des Meßumformers gleich groß sind7. so daß eine Volumenänderung der Flüssigkeiten infolge Temperaturänderung ohne Einfluß auf die Messung bleibt*^
6. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 5- dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß sich im oberen und unteren Teil des Meßumformers Volumenausgleich.skörper (31,32) befinden, die bei Temperaturerhöhung ihr Volumen verringern und damit die Volumenänderung der inneren Flüssigkeit ausgleichen.
7. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die Federkonstanten der Membranen (5,6, 7) und der Aufhängung (10,11) vernächlässigbar klein sind, so daß sie bei Auslenkung der Membranteller (8) keine zusätzlich.e Kraft erzeugen.
8. Meßumformer nach den Ansprüch.en 1 bis 6, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß zur Erhöhung der Regel stabilität die Federkonstante der Membranen (5,6,7) oder der Aufhängung groß ist, ohne jedoch die Empfindlichkeit des Meßumformers herabzusetzen.
9. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß die Trennmembranen (6,7) senkrecht angebracht sind, damit insbesondere bei Messungen in gärenden Medien durch aufsteigende Gasbläschen keine Fehlmessungen hervorgerufen werden.
10. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch g e k e n nz e i c h n e t , daß auf der Innenseite der Trennmembranen (6,7) in geringem Abstand Stützbleche angebracht sind, an die sich die Membranen bei Uberlastung anlegen.
11. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -net, daß er im gefüllten oder nicht gefüllten Zustand mit und ohne Trennmembranen (6,7) als Differenzdruck-Umformer und bei druckdichtem Abschluß einer Hälfte als Absolutdruck-Umformer arbeitet.
12. Meßumformer nach. den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch e -k e n n z e i c h n e t , daß die Wegmeßeinrichtung (20,21) zur Bestimmung der Auslenkung der Mittenmembrane (5) aus einer magnetisch. vorgespannten Differential-Feldplatte (20) besteh.t, die von einem Ankerteil (21) ausgesteuert wird.
13. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch e -k e n n z e i c h n e t , daß der Anker (15), der Spulenkern (17) und das Ankerteil (21) aus weichmagnetischem Ferritmaterial bestehen, das beständig gegen die innere Flüssigkeit ist.
14. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Wegmeßeinrichtung (20,21) zur Bestimmung der Auslenkung der Mittenmembrane (5) aus einer Differentialphotodiode besteht, die von einem Lichtbündel ausgesteuert wird, das von einer Lichtquelle, z.B. einer Leuchtdiode und einem optischen System erzeugt wird.
15. Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch g e -k e n z e i c h n e t , daß an der Halterung der Trennmembranen (6,7) eine Anflanschvorrichtung angebracht ist, mit Hilfe der der Meßumformer von außen an einen Tank angeflanscht werden kann.
16. Meßumformer nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß zur Messung der Dichte strömender Medien mit Hilfe des Meßumformers der Differenzdruck einer Drosselstelle (35) in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, daß dieses Signal einer Recheneinheit (37) zusammen mit einem dem Volumendurch.fluß entsprechenden Signal (Q) zugeleitet wird, und daß die Recheneinheit (37) daraus die Dichte berechnet.