DE2551384A1 - Dichtezahl-messgeraet - Google Patents

Description

Deutsche ITT Industries GmbH . G.L. Schlatter 14

78 Freiburg i. Br., Hans-Bunte-Str. 19 Mo/sp

12. November 1975

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Dichtezahl-Meßgerät

Die Priorität der Anmeldung Nr. 528 022 vom 29. November 1974 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Dichtezahl-Meßgerät (Gravitometer) für Gase oder Flüssigkeiten.

Der in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendete Begriff "Dichtezahl¹¹ meint das in dieser Technik üblicherweise so bezeichnete Verhältnis der Dichte eines Gases zur Dichte von Luft bei derselben Temperatur und demselben Druck, vgl. "Lexikon der
Physik", Bd. 1, Franckh'sche Verlagshandlung, Stuttgart 1952, Seite 175, rechte Spalte. Wie später noch erläutert wird, ist die Dichtezahl eines Gases im wesentlichen von der Temperatur und dem Druck unabhängig.

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mm O —

G.L. SchlaÄ551-ftÖ4

Aus der DT-OS 23 30 477 ist ein Durchfluß-Meßsystem unter Verwendung von Densitometern und Gravitometern bekannt, bei dem u. a. eine Gleichvorspannung zum Antrieb zweier ferromagnetische^ Flügel benutzt wird, um ein Ausgangssignal zu erhalten, in dem die doppelte Frequenz der aufgenommenen Piezokristall-Schwingungen unterdrückt ist.

Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Gleichvorspannung in manchen Fällen stört. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diese Gleichvorspannung mindestens teilweise zu eliminieren, ohne daß die auftretende doppelte Frequenz die Resonanzeigenschaften verschlechtert. Dies wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung erreicht. Besondere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Figuren der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der lediglich Anschauungszwecken dienenden Zeichnung stellen dar;

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Durchflußmeßsystems,

Fig. 2 das Schaltbild der in Fig. l gezeigten Abtastschaltung,

Fig. 3 eine Gruppe von Signalen, die charakteristisch für die Betriebsweise der Erfindung nach Fig. 1 sind,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Durchflußmeßsystems, das entsprechend einer anderen Ausbildungs form der Erfindlang ausgebildet ist,

Fig. 5 das Blockschaltbild eines Gravitometers,

Fig. 6 den Grundriß der in Fig. S schematisch dargestellten Doppe !zelle, . GRiGiNAi. iNSPECTED

■a · -

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Fig. 7 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 7-7 durch die Befestigungsschraube nach Fig. 6,

Fig. 8 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 8-8 nach Fig. 6,

Fig. 9 eine waagrechte Schnittansicht entlang der Linie 9-9 nach Fig. 8_r

Fig. 10 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 10-10 nach. Fig. 6_r

Fig. 11 eine senkrechte Schnittansieht entlang der Linie 11-11 nach Fig. 10,

Fig. 12 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 12-12 nach Fig. 6_r

Fig. 13 eine waagrechte Schnittansicht entlang der Linie 13-13 nach Fig. 12,.

Fi'g. 14 eine perspektivische Ansicht des ferromagnetischen Stabes nach den Fig. 6,10, 11 und 12,

Fig. 15 eine senkrechte Schnittansicht entlang der Linie 15-15 nach Fig. 6,

Fig. 16 eine waagrechte Schnittansicht entlang der Linie 16-16 nach. Fig. 15 und

Fig. 17 ein schematisches Schaltbild eines Teils der Schaltung nach Fig. 5.

-A-

60 9 82 3 /o-aas S^

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Es ist bekannt, daß die gesamte Durchflußmenge JQ * dt beträgt, wobei t die Zeit, Q die Durchflußrate an Gas pro Zeiteinheit ist und Q in Standard-Kubikmetern gemessen werden kann. Dieser Standard-Kubikmeter eines Gases in einer Rohrleitung (bei z. B. 1 atm Druck und 20° C) kann aus der folgenden die Durchflußmenge Q bestimmenden Gleichung (1) ermittelt werden.

Darin ist

P der statische Druck in der Rohrleitung 30 von Fig. 1, P der Differenzdruck über der Öffnung 32, *$- die absolute Temperatur des Gases und G die Dichtezahl des Gases.
Die Dichtezahl G des Gases ist definiert durch

(2,

die Dichte des Gases bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck und

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die Dichte der Luft bei der gleichen bestimmten Temperatur und dem gleichen bestimmten Druck ist.

Es ist interessant anzumerken, daß G im wesentlichen unabhängig von Temperatur und Druck ist. Das bedeutet, daß für dasselbe Gas der Wert von G derselbe ist, unabhängig bei welcher "bestimmten Temperatur" und bei welchem "bestimmten Druck" er gemessen wird. Der Beweis hierfür ist folgender:

Das Boylesche Gesetz und das Charlessche Gesetz lassen sich zu einem einzigen Ausdruck zusammenfassen:

f ,

der gleich einer Konstanten ist. Daher gilt:

PV = MR-S- , · (4)

P der Druck,
. V das Volumen,
M die Masse,
R die Gaskonstante und
^ die absolute Temperatur ist.

Wenn O die Dichte ist, dann ist

- 6 6098 2 3/0885

G.L. Sch

Kombiniert man die Gleichungen (4) und (5), erhält man

in der

K₁ = J ist. (7)

Die Gleichungen (8) und (9) entsprechen der Gleichung (6) für ein Gas (Index g) und für Luft (Index a):

= flZa (8)

KP

4a_a . (9)

Dividiert man die Gleichung (8) durch Gleichung (9) und setzt

P^ gleich P und <? gleich <? _r dann ist g s jg ja

. (ίο)

la

Kombiniert man (2), (6) und (10), so folgt

^G ■ S ■

Gleichung (11) zeigt somit, daß G tatsächlich "unabhängig" von den gewählten Temperatur- und Druckbedingungen ist.

Gleichung (1) läßt sich wie folgt beweisen. Die Durchflußmenge Q

durch eine Öffnung beträgt

609823/088 5

ORIGINAL INSPECTED

	ist	Qs -	K2A
Dabei	eine
K2	Konstante,

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(12)

A die Fläche der öffnung, g die Erdbeschleunigung und

H die Differenzdruckhöhe in Metern über der öffnung.

.Um die Druckhöhe in Zentimeter Luft umzurechnen, gilt

v - M^ · ⁽ⁱ³⁾

Im folgenden werden 20° C und 1 atm als "Standard-Temperatur und

-Druck™ Ό~ und P bezeichnet, a a

Gleichung (8) kann durch Gleichung (9) wie folgt dividiert werden

Dabei ist

P gleich P ,

gleich ^ und

gleich ς _g. .

Ersetzt man *? durch (^ in Gleichung (13) und im Ergebnis von (14), so erhält man

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Setzt aaia (Gleichung ClS) In Gleichung (12) ein, ,so erhalt man

la
Somit ist

GP — ' <">

wobei gilt

K₃ = K_nA M^Mr- . (18)

Aus Gleichung (3) ergibt sich

PQ _ ^Pa^Qa _ntn

= -r . (19)

Somit ist

Q_a - a^-a ■ . <20)

Kombiniert man Gleichung (17) mit Gleichung (20), so gilt

w - K₃

Q = K|/5s^·. , (22)

6 098 23 /

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K = -J-ä (23)

und Δ P gleich H (P (Druck gleich Höhe mal Dichte) ist.

Die Ausbildungsform nach Fig. 1 realisiert Gleichung (1) und liefert eine kontinuierliche Anzeige des gesamten Durchflusses in Kubikmetern.

In Fig. 1 stellt 30 einen Rohrleitungsteil dar, in dem eine mit einer öffnung 32 versehene Blende 31 befestigt ist. Der Differenzdruckwandler 33 mißt die Druckdifferenz an den entgegengesetzten Seiten der öffnung 32,während der Dauerdruckwandler 34 den Druck auf der einen Seite der öffnung 32 mißt. Der Temperaturwandler mißt die Temperatur auf der einen Seite der öffnung 32.

37,

In Fig. l sind die Multiplizierschaltungen 36, die Dividierschaltung 38 und der Quadratwurzelbildner 39 vorhanden. Die Ausgangsschaltung 40 ist an den Ausgang des Quadratwurzelbildners 39 angeschlossen. Die Ausgangsschaltung 40 enthält den Aufnehmer 41, den Sägezahngenerator 42, den Inverter 43, den Nadelimpulsgenerator 44, die Torschaltung 45 und den Zähler 46.

Der Differenzdruckwandler 33 gibt einen Gleichstrom an die Ausgangsleitung 47 ab_r der direkt proportional der Differenz zwischen den Drucken* auf den entgegengesetzten Seiten der öffnung 32 ist. Der Dauerdruckwandler 34 gibt einen Gleichstrom an die Ausgangsleitung 48 ab, der dem Druck auf der einen Seite der öffnung 32 direkt proportional ist. Der Temperaturfühler 35 gibt einen Gleichstrom an die Ausgangsleitung 49 ab, der der Temperatur des Gases im Innern des Rohrleitungsteils 30 auf der einen Seite der öffnung 32 direkt proportional ist.

- 10 -

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■ -. ίο -

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Das Gravitometer 50 ist an den Rohrleitungsteil 30 auf der einen Seite" der öffnung 32 angeschlossen und liefert einen Ausgangsgleichstrom an die Aus gangs leitung 51, der direkt proportional der Dichtezahl des Gases im Rohrleitungsteil 30 ist.

Die Multiplizierschaltung 36 ist an die Leitungen 49 und 51 angeschlossen. Ihr Ausgangssignal liegt an der Aus gangs leitung 52, die mit der Dividierschaltung 38 verbunden ist. Die Multiplizierschaltung 36 erzeugt somit einen Ausgangsstrom in der Leitung 52, der dem Produkt aus den Aus gangs strömen des Temperaturfühlers 35 und des Gravltometers 5O direkt proportional ist.

Die Multiplizierschaltung 37 liegt zwischen den beiden Druckwandlern 33, 34 und der Dividierschaltung 38 und hat eine Ausgangsleitung 53 p deren Strom dem Produkt aus den Ausgangs strömen der Druckwandler 33 und 34 direkt proportional ist. Die Dividierschaltung 38 hat eine Ausgangsleitung 54, die eine Gleichspannung führt, die direkt proportional der Ausgangsgröße der Multiplizierschaltung 37 geteilt durch die Ausgangsgröße der Multip Ii zier schaltung ist, und kann an seinem Ausgang falls gewünscht einen Strom-Spannungs-Wandler enthalten. Der Strom-Spannungs-Wandler kann z. B. ein einfacher Widerstand sein, der zwischen dem Ausgang des Teilers 38 und Masse liegt. Unabhängig davon kann jeder Bestandteil der Erfindung, der dazu dient, ein Strom-Analogon zu erzeugen, dazu dienen, ein Spannungs-Analogon zu erzeugen.

Der Quadratwurzelbildner 39 hat eine Ausgangsleitung 55, der eine Gleichspannung aufgeprägt ist, die direkt proportional der Quadratwurzel aus der Ausgangsgröße der Dividierschaltung 38 ist.

Der Aufnehmer 41 hat eine Ausgangsleitung 56* an die eine Rechteckschwingung angelegt ist* Diese Hechteckschwingung wird durch Vergleich der Amplitude der Ausgangsgröße des Sägezahngenerators 42

- 1t 60982370885

- .11 -

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rait. dea? ''taBplitasde der Gleichspannung auf der Leitung 55 erzeugt

Der Inverter 43 ist ffl>er die Ausgangsleitung 57 an die Torschaltung 45 augeschlössen mad invertiert den Rechteckschwingungsausgang des Aufnehmers 41. Es maß erwähnt werden, daß der Verlauf einer ReGfateckschwiagraaag herköramlicherweise in der Vertikalen die Spannung und in -der Horizontalen die Zeit angibt.

Der Nade!impulsgenerator 44 erzeugt Ausgangsimpulse konstanter Rate mit einer Pulsfrequenz, die im Vergleich zu der an der Inverterausgangsleitung 57 auftretenden Pulsfrequenz der Rechteckschwingung groß ist·^ Die Torschaltung 45 ist wahrend des positiven Impulses der Rechfeckschwingung von Leitung 57 offen und läßt die Impulse des üadfclisipulsgenerators 44 zum Zähler 46 durch/ während die Impulse der Rechteckscfowingiing an der Leitung 57 liegen.

Alle in Fig. 1 gezeigten Teile können herkömmlicher Art sein, die Kombination derselben jedoch ist neu. Andererseits kann das Gravitomeber SO in titoereijistijraraag mit der Erfindung konstruiert sein, wie noch zu erlaatera ist.

Die Multipliziersdaaltaasgen 36 und 37 können herkömmliche Spannungs- oder Stro»-Maltiplizierschaltungen sein. Die Dividierschaltung 38 kann eine iherkoiamlictie sein, ebenso kann der Quadratwurzelbildtier 39 ein hierkoamllcäier Quadratwurzelbildner oder ein Funktionsgenerator sein. Der sägezahngenerator 42, die Torschaltung 45_f der Inverter 43 wan. der laialer 46 können herkömmliche Bauteile sein. Auch dear Aafnetaaaer 41 kenn hjerköufflilicher Art sein.

Wenn gewünscht» kann das ÄÄBeigegerät 10*, das an den Zähler 46 angeschlossen ist, für das gesamte Durchflußvoluraen in Kubikaetern geeifeht sein. Der "ZShler 4δ kztnn ein herkömmlicher Binär zähler sein.

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In Fig. 2 ist der Aufnehmer 41 mit Eingangsanschlüssen 58 und 59 und einem Ausgangsanschluß 60 gezeigt. Der Verstärker 61 ist ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, der bei 62 geerdet ist und eine Eingangsleitung 63 aufweist,- die am Summierverbindungspunkt 64 angeschlossen ist. Der Widerstand 65 liegt zwischen dem Anschluß 59 und dem Verbindungspunkt 64. Die Diode 66 und der Widerstand 67 sind in dieser Reihenfolge zwischen dem Anschluß 58 und dem Verbindungspunkt 64 in Serie geschaltet. Der Kondensator 68 liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 61 und dem Ausgang 60.

In Fig. 1 ist der Eingang 58 am Sägezahngenerator 42 angeschlossen und der Eingang 59 am Quadratwurzelbildner 39, während der Ausgang 60 am Inverter 43 liegt. Die Spannung, die vom Quadratwurzelbildner 39 an den Eingang 59 geliefert wird, ist eine negative Spannung und das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 42 eine positiv gerichtete Spannung. Es beginnt bei null und steigt bis zu seinem Spitzenwert an. Wenn das Potential am Eingang 58 dem negativen Potential bei 59 gleich ist oder dieses leicht übersteigt, erzeugt der Verstärker 61, wenn er ein Verstärker hoher Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von mehreren hunderttausend ist, ein Rechteckaus gangs signal, da er bis in die Sättigung betrieben wird. Die Impulse am Ausgang des Verstärkers 61 haben dann eine Impulsbreite, die der Aus gangs spannung des Quadratwurzelbildners 39 direkt proportional ist.

Die Sägezahnspannung des Sägezahngenerators 42 ist bei 69 in Fig. gezeigt. Die entsprechende positive Amplitude der negativen Ausgangsspannung des Quadratwurzelbildners 39 ist durch die horizontale Linie 70 in Fig. 3 gezeigt. Der Pegel der Linie 70 kann von Zeit zu Zeit variieren, aber er schwankt im allgemeinen nicht so schnell wie die Pulsfrequenz der Sägezahnspannung.

Wie Fig. 3 zeigt, werden die Impulse 71 am Ausgang des Aufnehmers nach Fig. 1 erzeugt, die eine Zeitdauer aufweisen, die durch das

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-. 13 -

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Ende jedes Sägezahns 69 und durch den Schnittpunkt des Sägezahns mit der Linie 70 bestimmt ist. Wie in Fig. 3 ferner gezeigt, haben die Ausgangsimpulse 72 des Inverters 43 eine der Amplitude des
Ausgangssignals des Quadratwurzelbildners 39 direkt proportionale Zeitdauer. In Fig. 3 wird unter 73 derjenige Teil der Ausgangsimpulse des Nadelimpulsgenerators 44 gezeigt, die vom Zähler 46 gezählt werden.

In Fig. 1 erzeugen die Wandler 33, 34 und der Fühler 35 dem Differenzdruck, dem Dauerdruck und der Temperatur analoge Signale. Die den Drucken analogen Signale werden von der Multiplizierschaltung miteinander multipliziert. Das der Temperatur analoge Signal und das der Dichtezahl analoge Signal, das an der Ausgangsleitung 51 des Gravitometers 50 auftritt, werden von der Multiplizierschaltung 36 miteinander multipliziert. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 37 wird in der Dividierschaltung 38 durch das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 36 dividiert. Die Quadratwurzel des Ausgangssignals der Dividierschaltung 38 wird durch den Quadratwurzelbildner 39 gebildet, dessen analoges Ausgangssignal von der Ausgangsschaltung 4O integriert wird. Der Sägezahngenerator 42, der Aufnehmer 41 und der Inverter 43 erzeugen am Ausgang des Inverters 43 ein der Zeit analoges Signal des Ausgangssignals des Quadratwurzelbildners 39. Dieses wird in eine digitale Zahl umgewandelt, die im Binärzähler 46 aufsummiert wird; diese digitale Zahl stellt die gesamte Durchflußmenge in Kubikmetern.dar und wird im Anzeigegerät 10' angezeigt, das für jedes Flipflop bzw. jede Stufe des Zählers 46 ein Lämpchen aufweist.

Die alternative Ausführungsform nach Fig. 4 realisiert Gleichung (24), die kontinuierlich die gesamte Durchflußmenge Jodt anzeigt. Die Durchflußrate Q ist wie folgt definiert:

(24)

609823/081^ " ¹⁴ "

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Es wird daran erinnert,- daß Gleichung (1) wie folgt lautet:

Gleichung (14) lautet umgeformt

la

Setzt man (26) in (25) ein, so gilt

Q = KlHA₅- . (27)

Q .-. ?4^-^P (28,

ist somit

KV= 7#= · (29)"

Man erkennt_r daß Gleichung (28) der Beweis für Gleichung (24) ist,

In Fig. 4 stellt 74 einen Differenzdruckwandler dar, der an das Rohrleitungsteil 75 angeschlossen ist, und zwar an entgegengesetzten Seiten der öffnung 76 in der Blende 77, die im .Rohrleitungsteil 75 sitzt. Das Gravitometer 78 ist ebenfalls am Rohrleitungsteil 75 angeschlossen, ebenso das Densitometer .79.

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Ferner sind in Fig. 4 die Multiplizierschaltungen 8O_r 81, der Teiler 82, der Quadratwurzelbildner 83 und die Ausgangsschaltung gezeigt. Die Teile 74, 75, 76, 77, 78, 83 und 84 können falls gewünscht mit den in Fig. 1 gezeigten Teilen 33, 3O, 32, 31, 5O, 39 und 40 identisch sein. Das Densitometer 79, die Multiplizierschaltungen 8O_r 81 und die Dividierschaltung 82 können alle herkömmlicher Art sein. Jedoch ist deren Kombination mit den anderen Teilen nach Fig. 4 neu. Ferner können die Multiplizierschaltungen 80, 81 und die Dividierschaltung 82 mit den in Fig. 1 gezeigten Multiplizierschaltungen 36, 37 und der Dividierschaltung 38 falls gewünscht identisch sein. Das Densitometer 79 kann mit den in den eigenen älteren Anmeldungen P 21 41 397.8, P 22 49 2O6.4 und P 22 49 214.4 beschriebenen identisch sein.

In Fig. 4 haben der Differenzdruckwandler 74, das Gravitometer 78 und das Densitometer 79 Ausgangsleitungen 85, 86 und 87. Wie oben erzeugt der Differenzdruckwandler 74 ein Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 85, das der Differenz zwischen den Drucken auf den entgegengesetzten Seiten der öffnung 76 direkt proportional ist. Das Gravitometer 78 liefert wiederum ein Ausgangssignal an die Leitung 86r das direkt proportional de: Dichtezahl des Gases im Rohrleitungsteil 75 ist. Das Densitometer 79 erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 87, das der Dichte des Gases im Rohrleitungsteil direkt proportional ist. Die Multiplizierschaltungen 80, 81 haben Ausgangsleitungen 88, 89, ebenso die Dividierschaltung 82 die Ausgangsleitung 9O und der Quadratwurzelbildner 83 die Ausgangsleitung 91.

Die Multiplizierschaltung 80 liegt zwischen dem Differenzdruckwandler 74 und dem Densitometer 79 einerseits und der Dividierschaltung 82 andererseits und erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 88, das dem Produkt aus den auf den Leitungen 85 und 87 vorhandenen Signalen direkt proportional ist. Die Multiplizierschaltung .81 erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 89, das dem

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Quadrat des Ausgangssignals der Leitung 86 direkt proportional ist.

Die Dividierschaltung 82 liegt zwischen den Ausgängen den Multiplizierschaltungen 80_r 81 einerseits und dem Quadratwurzelbildner andererseits und erzeugt ein Ausgangssignal auf der Leitung 90, das dem Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 80 geteilt durch das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 81 direkt proportional ist. Der Quadratwurzelbildner 83 erzeugt ein Aus gangs signal auf der Leitung 91, das der Quadratwurzel aus dem Signal der Leitung 90 direkt proportional ist.

Bei Betrieb des Durchflußmessers nach Fig. 4 erzeugen der Differenzdruckwandler 74 und das Densitometer 79 Ausgangssignale, die direkt proportional dem besagten Differenzdruck und der Gasdichte sind, die von der Multiplizierschaltung 80 miteinander multipliziert werden. Das Quadrat des Ausgangssignals des Gravitometers 78 wird von der Multiplizierschaltung 81 erzeugt. Das Gravitometer 78 liefert ein Ausgangssignal, das der Dichtezahl des Gases im Rohrleitungsteil 75 direkt proportional ist. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 80 wird in der Dividierschaltung 82 durch das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 81 dividiert. Die Quadratwurzel aus dem Ausgangssignal der Dividierschaltung 82 wird durch den Quadratwurzelbildner 83 gebildet. Wie oben liefert die Ausgangsschaltung ein Aus gangs signal, das dem Integral des Aus gangs signals auf der Leitung 91 direkt proportional ist« Die Ausgangsschaltung 84 zeigt somit die Gesamtdurchflußmenge in Kubikmetern an.

Ein Gravitometer wie das in Fig. 5 gezeigte erzeugt einen Ausgangsstrom I , bei dem I = 4 mA am unteren und 20 itiA am oberen Ende des Meßbereichs beträgt; diese Grenzwerte sind bei Meßinstrumenten üblich. Man kann jedoch eine Nulleinstellung durchführen, so daß

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I₁ = K_blG ist. (3O)

Wenn K, im 4-20 mA-Bereich eine Konstante ist, so ist auch

= a (31)

eine Konstante (Sl).
Gleichung (31) gilt aus folgenden Gründen: Wenn

G = -5-2 , (32)

so ist

G = I- . (33)

Es wurde festgestellt, daß in Übereinstimmung mit der Erfindung für eine genaue Messung der Gasdichte V gilt:

9 = AT + B _r (34)

T = i ist und

f die Flügelfrequenz,

A eine Konstante und

B ebenfalls eine Konstante ist.

Gleichung (34) ist ein Näherungswert von

Zur Ableitung der Gleichung (35) wird auf die DT-OS 21 41 397 verwiesen.

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Aus (34) resultiert

AT + B (36)

Q = AT + B , (37)

ig g

g
in denen

der Index a für Luft und
der Index g für Gas gilt.

Subtrahiert man (37) von (36) _r so erhält man

Sa" <?g ^{= Λ (T}a ~ V ' ⁽³⁸⁾

rp —- Φ = L·- - i_ (39)

^Ta ^Tg f_a f_g .'■ ⁽³⁹⁾

i_ -■!_ _ isLlfa (40)

^fa ^fg " Va *

In der Ausbildungsform der Erfindung nach Fig. 5
kann das Produkt

¹ (41)

Va

als eine Konstante angesehen werden, da f sich wenig ändert, z. B. von 315 Hz auf 317 Hz oder noch weniger für G = 0 bis G = I, und £ sich sogar aar ua wen

Näherung gemacht werdens

£ sich sogar aar ua weniger als 1 % ändert* Somit kann folgende

-- I- K C₁ if - f_a)
ag

60982370686 -19-

-.19-

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Aus (39) und (42) ergibt sich

^{= C}l ^(£ ₉-.ν · ⁽⁴³⁾

Aus (38) und (43) ergibt sich

- ^Cl ^tfg-^fal · <⁴⁴'

Es soll gelten

= ^(fg - ^fa> <⁴⁵⁾

Aus Gleichung (9) gilt

wobei R = Κ_Ί die Gaskonstante von Luft ist.
a i.e.

Setzt man (46) und (47) in (33) ein, so erhält man

C₁Af₁R λ9"

G = I- . (48)

Setzt man in (48)

D = C₁R₂₁ (49)

F = p-*- , (50)

so ergibt sich

G = I- DFAf₁ . (51)

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In Gleichung {51) ist D eine Konstante und F und f sind Variable. Die Ausbildungsform nach Fig. 5 liefert eine Gleichspannung, die Af direkt proportional ist, ferner ein der Größe F analoges Signal und multipliziert sie miteinander, addiert oder subtrahiert dann eine konstante Spannung wie gewünscht, so daß der Ausgangsstrom I in Milliampere wie folgt bestimmt werden kann:

I = SW^(I - DF^f₁) + SX , (52)

wobei S_r W und X Konstanten sind. Somit ergibt sich aus (51) und (52)

§J = SW = const. (53)

In (52) und (53) ist I definiert durch I - I _r wobei I der Strom in dem speziellen Fall von Flg. 5 1st und I der Strom im allgemeinen Fall ist.

Das in Fig. 5 gezeigte Gravitometer hat Ausgangsklemmen 100, 1Ol, die einen der Dichtezahl direkt proportionalen Ausgangsstrom liefern. Somit können die Ausgangsklemmen 100 und 101 mit der Multiplizierschaltung 36 von Fig. 1 oder der Multiplizierschaltung 81 von Fig. 4 verbunden werden. Ferner können die Ausgangsklemmen und 101 mit irgendeiner Anwendungsvorrichtung 102 verbunden werden, Wie in Fig. 18 gezeigt wird. Somit können Teile der Fig. 1 und 4 als Anwendungseinrichtungen 102 betrachtet werden. Die Anwendungseinrichtung 102 kann ein in Dichtezahl geeichtes Milliampere-Meter, aber auch ein Prozeßregler oder dergleichen sein, unabhängig davon, ob ein solcher hier besonders beschrieben ist oder nicht.

In Fig. 5 sind das Filter 105, der Druckregler 106 und der Durchflußmesser 107 in dieser Reihenfolge zwischen dem Rohrleitungsteil 104 und die Doppelzelle 103 geschaltet, die die Antriebs-

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spule rO8_r die Gas- und Luftflügel 109, 110 und die Kristalle 111 und 112 für Luft und Gas enthält. Fig. 5 zeigt ferner den Leistungsverstärker 113_r den Amplitudendemodulator 114 und die phasenstarre Schleife 115. Der Amplitudendemodulator 114 und die Schleife 115 liegen hintereinander am Ausgang des Leistungsverstärkers 113, der auch über die Leitung 116 an der Antriebsspule 108 liegt.

Die Verstärker 117 und 118 liegen jeweils über die einstufigen Binärteiler 900_f 90.1 zwischen den Ausgängen der Kristalle 111 und und dem Leistungsverstärker 113. Die automatischen Verstärkungsregelschältungen 119 und 120 liegen jeweils zwischen den Ausgängen der Verstärker 117 und 118 und deren Verstärkungsregelungseingängen. Fig. 5 weist auch den Tempefatur-zu-Druck-Kompensator 121 _r die Multiplizierschaltung 122 und die Ausgangsschaltung 123 auf.

Die Schleife 115 besteht aus dem Phasendetektor 124, dem Tiefpaßfilter 125, dem Verstärker 126 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 127_r die in dieser Reihenfolge mit dem Ausgang des Amplitudendemodulators 114 verbunden sind. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 127 ist an einen zweiten Eingang des Phasendetektors über die Leitung 128 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 126 ist über die Leitung 129 auch an die Multiplizierschaltung 122 angeschlossen, die einfach ein Potentiometer 130 mit einem Schleifer 131 ist, der sich über die mechanische Verbindung synchron zu einem Stempel 132 im Temperatur-zu-Druck-Kompensator bewegt. Das obere Ende der Potentiometerwicklung 134 ist, wie Fig. 5 zeigt, an den Ausgang des Verstärkers 136 angeschlossen, während das untere Ende der Wicklung 134 am Potential Vl liegt.

Aus dem folgenden evkennt man, daß die Potentiale Vl und V2 benutzt werden. Wie beim Betrieb solcher Geräte üblich, kann Vl +10 V und V2 +20 V betragen. Zum besseren Verständnis der Erfindung jedoch und für eine Alternativkonstruktion wird das Symbol für Masse

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hier als -10 V betrachtet. In diesem Fall würden die Potentiale Vl .und V2 0 V und +10 V sein..

Die Ausgangsschaltung 123 nach Fig. 5 enthält die Eichschaltung und den Spannungs-Strom-Wandler 136. Die Eichschaltung 135 besteht aus dem Differenzverstärker 137, den Widerständen 138 und 139/ dem Transistor 140, der Diode 141, dem Potentiometer 142, den Widerständen 143_r 144, 145 und dem Potentiometer 146.

Der Widerstand 138 liegt zwischen dem Ausgang der Multiplizierschaltung 122 und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 137. Der Ausgang des Verstärkers 137 ist an den Verbindungspunkt 147 angeschlossen. Die Basis 15Ο des Transistors 140 liegt am Verbindungspunkt 147, während dessen Emitter 149 am Verbindungspunkt angeschlossen ist. Die Diode 141 liegt zwischen den Verbindungspunkten 147 und 151 und ist so gepolt, daß sie in Richtung auf den Verbindungspunkt 147 leitend ist. Der Widerstand 139 liegt zwischen dem Kollektor 148 und dem Potential V2. Die Wicklung 152 des Potentiometers 142 und der Widerstand 143 liegen in dieser Reihenfolge zwischen dem Verbindungspunkt 151 und dem Ausgangsverbindungspunkt 154.

Der invertierende Eingang des Verstärkers 137 ist am Verbindungspunkt 155 angeschlossen. Der Widerstand 144 liegt zwischen den Verbindungspunkten 155 und 156 r welch letzterer sowohl am Verbindungspunkt 151 als auch am Schleifer 153 des Potentiometers 142 liegt. Der Widerstand 145 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 155 und dem Schleifer 158 des Potentiometers 146. Das obere Ende von dessen Wicklung 157 ist an das Potential V2 angeschlossen, während deren unteres Ende am Potential Vl liegt.

Falls gewünscht kann eine herkömmliche S ehr aubenz ieherver Stellung des Schleifers 158 zur Einstellung auf null vorgesehen werden. Ebenso kann beim Potentiometer 142 zur Einstellung des Meßbereichs

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eine herkömmliche Schraubenzieherverstellung vorhanden sein.

Es wird darauf hingewiesen, daß die konstante Spannung, die am Schleifer 158 auftritt, von der Multiplizierschaltung 122 mit umgekehrtem Vorzeichen zum Eingangssignal der Ausgangsschaltung 123 addiert wird, da die Widerstände 145 und 138 jeweils mit dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 137 verbunden sind. Die Stellung des Schleifers 153 bestimmt den Meßbereich, da sie über den Widerstand 144 die Rückkopplung auf den invertierenden Eingang bestimmt.

Anstelle der Ausgangsschaltung 123 kann eine beliebige herkömmliche Ausgangsschaltung verwendet werden. Das gleiche gilt für den Spannungs-Strom-^fandler 136, der den mit dem am Potential Vl liegenden nichtinvertierenden Eingang Differenzverstärker 159 enthält. Der Spannungs-Strom—Wandler 136 enthält ferner die Transistoren 160, und die Widerstände 162, 163.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 159 liegt an der Basis 166 des Transistors 16O, dessen Emitter 165 mit der Basis 169 des Transistors 161 verbunden ist. Die Kollektoren 164, 167 dieser beiden Transistoren liegen gemeinsam am Verbindungspunkt 170. Der Emitter 168 des Transistors 161 ist am Verbindungspunkt 171 angeschlossen. Der Widerstand 163 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 170 und dem äußeren Anschluß lOO. Der Widerstand Ί62 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 171 und dem Potential V2. Die Leitung 172 führt von Verbindungspunkt 154 zu 171. Der invertierende Eingang des Verstärkers 159 liegt am Verbindungspunkt 154.

Der Temperatur-zu-Druck-Kompensator 121 kann herkömmlicher Art sein. Er besitzt einen Zylinder 173, in dem sich der Stempel 132 bewegt, der somit luftdicht gegen das Innere der Zylinderwandung des Zylinders 173 abgedichtet ist. Eine Kolbenstange 174 ist am 'Stempel 132 befestigt und beweg.t den Schleifer 131 der Multiplizierschaltung 122 synchron zum Stempel.

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Aus der Formel PV = MR<Φ· ergibt sich, wenn M und R als konstant angenommen werden, daß das vom Zylinder 173 und dem Stempel 172 bestimmte Volumen direkt proportional dem Verhältnis λ9/ Ρ ist. Daher bewegt sich die Kolbenstang'e 174 stets um eine dem Verhältnis Λ, / ρ proportionale Strecke.

Filter 105, Druckregler 106 und Durchflußmesser 107 nach Fig. 5 sind herkömmlicher Art. Vorzugsweise ist das Filter 105 ein 2 ,umFilter. Es wird aus gesintertem Metall hergestellt und weist zwischen den miteinander verbundenen Teilchen öffnungen auf, die eine Flüssigkeit durchfließen lassen, während Teilchen, die gleich oder größer als 2 ,um im Durchmesser sind, zurückgehalten werden.

Die Verstärker 117_r 118 und die automatischen Verstärkungsregelungsschaltungen 119_r 120 sind herkömmlicher Art, ihre Verbindung miteinander ist jedoch neu. Der Amplitudendemodulator 114 und die phasenstarre Schleife 115 können falls erwünscht ebenfalls herkömmlicher Art sein.

Die Phase des vom Amplitudendemodulator 114 stammenden Eingangssignals des Phasendetektors 124 wird vom Phasendetektor 124 wie üblich mit der Phase des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 127 verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 124 passiert dann das Tiefpaßfilter 125 und wird vom Verstärker 126 verstärkt. Dieser erzeugt ein Gleichspannungsausgangssignal, das dem spannungsgeregelten Oszillator 127 aufgeprägt wird. Die Frequenz und somit die Phase des Ausgangssignals des spannungsgeregelten Oszillators 127 wird in Abhängigkeit von der Amplitude der auf ihn vom Verstärker 126 aufgeprägten Eingangsspannung geregelt.

Das von der phasenstarren Schleife 115 an die Ausgangs leitung 129 abgegebene Signal ist eine Gleichspannung, deren Größe direkt proportional der Grundfrequenz der Aus gangs schwingung des Amplituden-

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demodulators 114 ist. Die Schleife 115 stellt somit eine Anordnung zur Erzeugung einer der Frequenz analogen Gleichspannung dar.

Der Druckregler 106 hat dieAufgabe_r einen Teil des Gases in der Rohrleitung 104 durch die Doppelzelle 103 bei sehr niedrigem konstantem Druck und sehr niedriger Durchflußrate hindurchzuführen. Das Gas passiert dabei eine noch zu beschreibende Kammer in der Doppelzelle 103. Der Druck in dieser Kammer entspricht im wesentlichen dem Atmosphärendruck, da die Kammer nach außen hin entlüftet ist und das Gas bei einer sehr niedrigen Druchflußrate zirkuliert.

Das Filter 105 hält das Gravitometer sauber. Der Durchflußmesser kann zur Festlegung der Gasdurchflußrate verwendet werden, so daß der Druckregler 106 falls gewünscht zur Eichung eingestellt v/erden kann.

Fig. 6 zeigt den Grundriß der Doppelzelle 103. Dabei ist die Grundplatte 175_r der Haltebolzen 176, der Zentralblock 177, der Einlaßblock 178 und der Auslaßblock 179 zu sehen. Der Einlaßblock 178 ist am Zentralblock 177 mittels sechs Kopfschrauben 180 befestigt, von denen nur drei in Fig. 6 gezeigt werden. In ähnlicher Weise ist der Auslaßblock 179 am Zentralblock 177 mittels sechs Kopfschrauben 181 befestigt. Die Deckplatte 182 sitzt zwischen den Köpfen der Schrauben 180 und dem Einlaßblock 178, der den Einlaßring 183 aufweist, in den eine Leitung vom Durchflußmesser 107 her dicht eingesetzt sein kann.

Vier Kopfschrauben 187 fixieren einen Zwischenteil am Block 177. Ebenso fixieren vier Kopfschrauben 185 einen weiteren Zwischenteil am Block 177. Die beiden Zwischenteile werden später noch beschrieben. Wie ferner noch beschrieben wird, ragt der ferromagnetische Stab 186 in den Block 177 hinein und ist an ihm befestigt. Die Antriebsspule 187 ist um den Stab 186 herum angebracht.

Der Auslaßblock 179 enthält Entlüftungsöffnungen für Gas und Luft.

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Die Leitung 190 ist in den Ring 189 dicht eingesetzt. Die Trockenvorrichtung 191 ist an die Leitung 190 angeschlossen und weist das Entlüftungsrohr 192 auf, durch das Luft aus der Atmosphäre durch das Trockengerät 191 in den Block 177 und aus dem Block 177 in die Atmosphäre gelangen kann.

In Fig. 6 ist nur ein Haltebolzen 176 gezeigt; es werden jedoch vorzugsweise vier Haltebolzen verwendet, Weitere Haltebolzen gehen durch die Löcher I93_r 194 und 195 in der Grundplatte 175 _r wie Fig. 6 zeigt.

Alle in Fig. 7 gezeigten Bauteile sind aneinander befestigt. Die Platte 196 befindet sich unterhalb der Grundplatte 175. Der Haltebolzen 176 hat einen auf der Oberseite der Grundplatte 175 ruhenden Kopf 197_r einen darin verschiebbaren Hals 198 und ein mit einem Gewinde versehenes unteres Ende 199, das in die Platte 196 eingeschraubt ist. Der zylindrische Abstandhalter 200 wird zwischen der Grundplatte 175 und der Platte 196 unter axialer Kompression gehalten, wobei der Bolzenhals 198 durch das Innere des Abstandhalters 200 geht.

Die Platte 196 besitzt vier mit einem Gewinde versehene Löcher 2Ol, Von denen in Fig. 7 nur eines gezeigt ist. Die anderen drei Löcher liegen im wesentlichen in einer Linie mit den Löchern 193, 194 und 195 der Stützschelfce 175. .

Wie Fig. 8 zeigt, besitzt der Einlaßbiock 178 zwei daran befestigte Kopf schrauben 2G2 und 2O3. Der die Kopf schraube 202 unmittelbar umgebende Aufbau ist mit dem die Kopf schraube 203 umgebenden Aufbau im wesentlichen identisch; deshalb wird nur der letztere beschrieben. Das gleiche gilt für die Kopf schrauben 2O4 und 2O5 in Fig. 15. Die Grundplatte 175 weist Ausdrehungen 2O6 und 207 auf. Sie ^shat einen Steg 208 _r der die Ausdrehungen 2O6 und 2G7 trennt. Der Steg 208 selbst hat eine Öffnung 209, durch die der Schrauben- " .·. hals 210 der Kopf schraube 2O 3 geht und der somit in der Öffnung 209

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beweglich ist. Die Feder 211 wird zwischen dem Steg 208 und dem unteren Ende des Einlaßblocks festgehalten und zusammengedrückt. Die gesamte Konstruktion oberhalb der Grundplatte 175 ist somit in bezug auf die Kopfschrauben 202_r 203, 204 und 205 elastisch befestigt. Die in den Fig. 6 und 8 gezeigten Kopfschrauben 180 sind in den entsprechenden Löchern der Platte 182 und dem Einlaßblock 178 beweglich und in den Mittelblock 177 eingeschraubt.

Wie Fig. 9 zeigt_r kann das Gas durch die Leitung 214 in den Block 178 und durch die kegelstumpfförmige öffnung 215 in den schmalen Zwischenraum 216 gebracht werden. Falls gewünscht kann eine ganze Anzahl von hier gezeigten relativen Abmessungen verwendet werden. Der Zwischenraum 216 ist durch die in Fig. 8 gezeigte Ausdrehung 217 im Einlaßblock 178 begrenzt. Das Gas kann dann über eine andere kegelstumpfförmige öffnung 219 in die in Fig. 9 gezeigte Leitung 218 gelangen. Eine größere kegelstumpfförmige Auslaßöffnung 220 ist mit der Leitung 218 verbunden. Das eine Ende der Leitung 218 ist durch die darin dicht eingesetzte Schraube 221 verschlossen.

Fig. 9 zeigt, daß die Tiefe der Ausdrehung 217 gering ist und durch die,Abmessung Al wiedergegeben ist. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des Gases und die der Luft im Mittelblock 177 einander anzugleichen. Vorzugsweise werden der Mittelblock, der Einlaßblock xind der Auslaßblock aus rostfreiem Stahl der in den USA üblichen Nr. 302 oder 303 hergestellt. Sie können aber auch aus irgendeinem anderen herkömmlichen Material hergestellt sein, das eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und das nicht magnetisch ist. Es macht jedoch keinen großen Unterschied, ob eine der Kopfschrauben · in Fig. 6_r 7, 8 und 15 magnetisch ist oder nicht. Sie können wahlweise magnetisch sein oder nicht.

Die Unterfläche 222 des Einlaßblocks 178 von Fig. 9 paßt mit der Zylinderfläche 225 derart auf dil^gl?äche 223 des Mittelblocks 177

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von Fig. 10_r daß die Zylinderachse mit der Achse der konischen Oberfläche 220 von Fig. 9 übereinstimmt. Die Blöcke 177, 178, 179 sind alle gleichbreit und gleichhoch. Sie sind also wie in Fig. 6 ausgerichtet.

Fig. 10 zeigt bei 224 eine weitere zylindrische Oberfläche. Die zylindrischen Löcher 226 und 227 erstrecken sich völlig durch den Mittelblock 177 hindurch; ihr Raum darin wird durch die Flächen 224_r 225 begrenzt. Diese Räume können als Gaskammer 227 und Luftkammer 226 bezeichnet.werden. Man beachte, daß die Oberfläche 222 vonFig. 9 das eine Ende der Luftkammer 226 abschließt. Der Luftflügel 110 ragt in die Luftkammer 226 hinein, ebenso der Gasflügel 109 in die Gaskammer 227.

Fig. 11 zeigt, daß der Stab 186 mittels der Madenschraube 230 im Mittelblock 177 befestigt ist. Der Stab 186 und die Madenschraube 230 können auch abgedichtet sein* Hie Fig. 12 zeigt, sind die Flügel 109, 110 bei 231 an den entsprechenden ringförmigen Einsätzen 233, 232 mit Silber verlötet, die am Mittelblock 177 mittels der Schrauben I84_r 185 befestigt sind.

Die Einsätze 232 und 233 weisen die Ausnehmungen 234 und 235 auf _f an deren Boden die piezoelektrischen Kristalle 112, 111 durch irgendein herkömmliches Mittel wie z. B. Epoxydharz befestigt sind, In Fig. 12 erkennt man, daß das untere Ende des Stabes 186 etwas oberhalb der oberen Fläche des Flügels HO ζτι liegen kommt. Falls erwünscht können die Flügel 1G9, HO identisch sein. Darüber hinaus können ihre oberen und xtnteren Begrenzungsflächen in zwei entsprechenden Ebenen liegen. Aus den Fig. 12 und 13 wird eine bestimmte Symmetrie ersichtlich. Die Lage des unteren Endes des Stabes 186 über den Flügeln wird in Fig. 12 bei A2 angezeigt. Aus Fig. 12 ist auch zu erkennen, daß die Einsätze 232, 233 zylindrische Teile 238, 239 aufweisen, die in die zylindrischen Flächen 224, 225 passen. Man erkennt ferner _t daß jeder Flügel in gleichem Abstand in eine Nut von

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der Tiefe A3 des entsprechenden in Fig. 12 gezeigten Einsatzes eingelassen ist. Die am nächsten liegenden Kanten der Flügel haben somit den Abstand A4 vom zugehörigen Kristall. Fig. 14 zeigt,, daß der Stab 186 eine Feststellfläche 240 für die Madenschraube 230 haben kann.

Die Fig. 15 und 16 zeigen, daß der Auslaßblock 179 kegelstumpfförmige Flächen 241 , 242 hat_r die die Räume begrenzen, mittels derer das Gas und die Luft zur Atmosphäre hin durch die Ringe 188 und hindurch entlüftet werden.

Fig. 17 zeigt erneut die Doppelzelle 103 mit den Verstärkern 117, 118. den automatischen Verstärkungsregelungsschaltungen 119, 120, dem Leistungsverstärker 113 und dem Amplitudendemodulator 114. Die Verstärker Il7_r 118 sind identisch, und aus diesem Grund wird nur einer genauer beschrieben. Das gleiche gilt für die Schaltungen 119, 120.

Der Verstärker 117 besteht aus dem Differenzverstärker 243 mit der nichtinvertierenden Eingangsleitung 244, der invertierenden Eingangsleitung 245 und dem Ausgang, der an den Verbindungspunkt 246 angeschlossen ist. Die eine Seite des Gas-Kristalls 111 ist am Potential Vl angeschlossen und die Leitung 245 am Verbindungspunkt 247. Die andere Seite des Gas-Kristalls 111 liegt über den Kondensator und den Widerstand 249 am Verbindungspunkt 247. Das Potential Vl liegt am Verbindungspunkt 250. Der Widerstand 251 liegt zwisehen den Verbindungspunkten 247 und 250.

252, 253 sind Verbindungspunkte. Die Leitung 254 führt vom Verbindungspunkt 246 zu 252. Der Widerstand 255 liegt zwischen den Verbindungspunkten 252, 253, während der Widerstand 256 zwischen dem Verbindungspunkt 253 und der Leitung 244 liegt. '

In der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung 119 liegen die

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Diode 257, der Widerstand 258 und der Widerstand 259 in dieser Reihenfolge zwischen den Verbindungspunkten 252, 260, welch letzterer am Potential Vl liegt. Die Diode 257 ist so gepolt, daß sie in Richtung vom Verbindungspunkt 252 zum Verbindungspunkt 261 leitend ist. 262 _r 263 und 264 stellen weitere Verbindungspunkte dar. Die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 119 enthält auch den Differenzverstärker 265 mit nichtinvertierender und invertierender Eingangsleitung 266_r 267.

Der Verbindungspunkt 261 verbindet die Leitung 266 mit dem unteren Ende des Widerstandes 258 und dem oberen Ende des Widerstandes 259. Die Diode 268 liegt zwischen den Verbindungspunkten 260,- 262, und zwar mit der Kathode am Verbindungspunkt 260. Der Widerstand 269 ist am Verbindungspunkt 262 und am Potential V2 angeschlossen. Der Kondensator 27O liegt zwischen den Verbindungspunkten 263, 264, während die Leitung 271 vom Verbindungspunkt 261 zu 263 führt und die Leitung 267 am Verbindungspunkt 263 liegt.

Die automatische Verstärkungsregelungsschaltung 119 enthält ferner den Feldeffekttransistor 272, zwischen dessen Gateelektrode 275 und dem Verbindungspunkt 264 der Widerstand 276 liegt, während dessen Sourceelektrode 273 am Potential Vl und dessen Drainelektrode 274 über den Kondensator 277 am Verbindungspunkt 253 des Verstärkers angeschlossen ist.

Der Leistungsverstärker 113 enthält den Differenzverstärker 278 mit nichtinvertierender Eingangsleitung 279 und invertierender Eingangs leitung 278. Die Leitung 279 ist an den Verbindungspunkt angeschlossen,, der zum Potential Vl führt. Die Leitung 278 ist am Summierpunkt 281 angeschlossen. 282 1st ein weiterer Verbindungspunkt. Die Widerstände 283, 284, 285 und 286 liegen jeweils zwischen dem Verstärker 118_Λ dem Schleifer 287, dem Verbindungspunkt der Spule 108 und dem Verbindungspunkt 281. Der Schleifer 287 gehört zum Potentiometer 288 mit der Wicklung 289, deren unteres Ende geerdet ist, während ihr oberes Ende zum Potential V2 führt.

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Der Stroiraaeßwiderstand 290 liegt zwischen den Verbindungspunkten 291 τ 280, welch ersterer mit dem einen Ende der Spule 108 und dem einen Ende des Widerstandes 286 verbunden ist. Der Widerstand 292 und der Kondensator 293 liegen in dieser Reihenfolge zwischen den Verbindungspunkten 294, 295. Das rechte Ende des Widerstandes 286 ist an den Verbindungspunkt 294 angeschlossen. Die Leitung 296 verbindet die Verbindungspunkte 281 und 294.

Der Leistungsverstärker 113 enthält ferner die Transistoren 298 und 299« Der Widerstand 306 liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 278 und den Basen 302, 305 der Transistoren 298, 299, deren Emitter 301, 304 am Ausgangsverbindungspunkt 307 angeschlossen sind. Der Widerstand 308 führt vom Kollektor 300 des Transistors zum Potential V2, der Widerstand 309 vom Kollektor 300 nach Masse. Die Verbindungspunkte 307 und 295 liegen beide auf der Leitung 310. Die Spule 108 liegt zwischen den Verbindungspunkten 291, 295. Der Amplitudendemodulator 114 liegt ebenfalls am Verbindungspunkt 307. Der Leistungsverstärker 113 erfüllt mehrere Funktionen. Im allgemeinen jedoch wirkt er als üblicher Analog-Addierer_f addiert übliche Signale und gibt sie an die Spule 108 und den Amplitudendemodulator 114 weiter.

Die 'Ausgangsspannung am Verbindungspunkt 307 ist eine sinusmodulierte Sinuswelle. Ihr Mittelwert beträgt null (V1 wird als 0 V betrachtet. Masse als -10 V und V2 als +10 V). Die Spannung am Verbindungspunkt 307 ist nicht nur eine Sinuswelle, sondern sie ist auch mit einer anderen Sinuswelle amplitudenmoduliert. Es ist keine Gleichspannungsverschiebung des modulierten Trägers vorhanden. Dies wird durch Rückkopplung mittels des Widerstandes 290 ■ erreicht. Der Spannungsabfall am Widerstand 290 ist im wesentlichen, dem Strom in der Spule 108 direkt proportional, und wird über den Widerstand 286 und die Leitung 296 zum Summierverbindungspunkt 281 übertragen, dort jedoch durch Einstellung des Schleifers 287 und/ oder automatisch zu null gemacht.

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Sp^nnungsAbf.a.11 am. Hiders.ta.nd 290. führ/t dazu, daß die Spannung und der Strom durch, die. Spule 108. keine Gleichan teile enthalten. Die Spannung am Schleifer 287 wird über den Widerstand 284 von der des Summierverbindungspunkts 281 subtrahiert, die Spannung am Widerstand 290 wird davon dadurch subtrahiert, daß der Widerstand 286 den Verbindungspunkt 291 und den Summierverbindungspunkt 2.81 miteinander verbindet.

Die Aus gangs signale der Verstärker 117, 118 werden dem Summier-Verbindungspunkt 281 über die Widerstände 285 und 283 zugeführt. Die Rückkopplung der Wechselspannung zur Erreichung einer konstanten Wechselspannungshüllkurve der Spannung an Spule 1O8 wird durch Rückkopplung vom AusgangsVerbindungspunkt 307 über die Leitung 310, den Verbindungspunkt 295, den Kondensator 293, den Widerstand 292, den Verb indungs punk t 294, die Leitung 296 zum Summierverbindungspunkt 281 ermöglicht.

Wie schon dargelegt, wirkt der Leistungsverstärker 113 als Analog-Addierer mit arex zu den zwei Rückkopplungseingängen addierten Eingangs Signalen. Die Ausgangssignale der Verstärker 117, 118 sind im wesentlichen sinusförmig. Der Leistungsverstärker 113 läßt sich besser verstehen, wenn man berücksichtigt, was bei der Addition zweier Sinuswellen geschieht.

Die Gleichung für die Spannung e am Ausgang des Leistungsverstärker 113 in Fig. 5 führt zu den trigonometrischen Gleichungen

sin Y +sin λχ = 2 sin cos . (54)

Λ_ / Z -Z

Damit gilt für e

e = E₁ + 2E₂ sin cos , (55)

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_ 33 - ^G*^L- Sch.latter 14

2E die Amplitude des Trägers und

5 5138$

iü|Vt

und darin wieder

UT = 6,28 = 2T t die Zeit,
N = 1/2

w die Frequenz des Ausgangssignals des auf Gas

ansprechenden Einkristalls und
ν die Frequenz des Ausgangssignals des auf Luft ansprechenden Einkristalls ist.

Daraus· folgt, daß w gleich f und ν gleich f sein kann.

g a

Die Nullamplitude wird durch den Widerstandswert des Widerstandes 290 und die Einstellung des Potentiometers 288 bestimmt. Die Amplitude von E₂ kann gleich, größer oder kleiner als 12,5 V sein. '

cn Der Strom i in der Spule 108 kann folgendermaßen ausgedrückt werden ι

Γ" λ pc. j- /^\ ~7 Γ7 χ + /^u) "7 I = I,+ 2I„ sin I .-* + 0_n / cos Γ-i + 0_n / , (58)

wobei I _r I„_r 0. und 0~ Konstanten sind.

Die Spule 108 wirkt als Magnetspule. Die Glieder 0_χ und 0₂ stellen ^ deshalb eine Phasennacheilung dar, die aufgrund des induktiven °°

Blindwiderstandes der Spule 108 vorhanden ist. σ

Die Grundschwingung des Ausgangssignals dey Leistungsver- cm stärkers 113 ist deshalb direkt proportional e_ff wobei

e_f = 2E₂ sin cos -i- ist. (59)

In Fig. 17 enthält der Amplitudendemodulator 114 die Diode 311, die zwischen dem Verbindungspunkt 307 des Leistungsverstärkers 113 und dem Verbindungspunkt 312 liegt. Weitere Verbindungspunkte im Amplitudendemodulator 114 befinden sich bei 313, 314, 315. Der Wider-

ORiGfNAL INSPECTED

G.L. Schlatter 14

stand 316 führt vom Verbindungspunkt 312 zum Potential V2. Die Diode 311 ist so gepolt, daß ihre Anode am Verbindungspunkt 312 liegt. Die Diode 317 liegt zwischen den Verbindungspunkten 312, 313, und zwar mit ihrer Anode am Verbindungspunkt 312. Die Verbindungspunkte 313, 314 sind über die Leitung 318 verbunden. Der Kondensator 319 liegt zwischen den Verbindungspunkten 313, 315 und der Kondensator 321 zx<?ischen dem Verbindungspunkt 314 ttnd dem Phasen— detektor 124 in Flg. 5.

Der Kondensator 319, der Widerstand 32O und der Kondensator 321 bilden ein Filter zur Dämpfung der Oberschwingungen der Grundschwlngung_r die am Eingang des Atnplit-adendemodulators 114 auftreten. Das Ausgangssignal des Aisplitüdendemodulators 114 1st dann eine doppelweggleichgerichtete Sinuswelle eines Signals und der Frequenz, die gleich der halben Differenz zwischen den Frequenzen ist, auf denen die Flügel 1Ό3, HO schwingen.

Ohne die Erfindung einzuschränken, können z, B, die Flügel 1Ö3, bei einer Frequenz von 315 oder 31€ Hz schwingen. Der gesamte Bereich von G kann In diesem Fall O bis 1,0 sein mit einer mittleren Differenz frequenz von 1 bis 2 Hz. Eine typische mittlere Diffeienzfrequenz für G = 1,0 kann z. B. 1,77 Hz sein.

Daraus wird ersichtlich, daS eine dem Glied DFAf in Gleichung <52) direkt proportionale Spannung dem Eingang der Ausgangsschaltung in Flg. 5 aufgeprägt 1st, da das Produkt aus der Variablen F des Temperatur-zu-Druck-Koa^ensators und dem Λ f -Gleichspannungs-Änalogon

JLüsgang des Verstärkers der phasenstarren Schleife von der Multiplizierschaltung erzeugt wird. I in (52) erhält man durch entsprechende Null- und Bereichselnstelliong in. der Ausgangsschaltung, was S, S und X festlegt»

Die Aus gangs spannung der Multiplizierschaltung ist definiert als

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^eml ⁼ W⁰¹¹Af₁ - (6O)

Bei Nulleinstellung kann Z abgezogen werden, so daß

₁ - Z gilt, (61)

worin Z - W + χ und

W und X Konstanten sind.
Somit ergibt sich

IiDFAf₁ - (W + X) und (62)

-W (1 - DFAf₁) - X . (63)

Bei Bereichseinstellung kann (63) mit -S multipliziert werden, so daß gilt

I = SW (1 - DFAf₁) + SX . (64)

Die Bereichseinstellung steuert auf diese Weise S, und die NuIleins'tellung steuert Z, wobei Z = W + X ist.

Bei Betrieb des Gravitometers nach Fig. 5 hält das Filter 1Ο5 das Gas des Rohrleitungsteils 104 frei von kleinen Teilchen. Der Druckregler 106 reduziert den Gasdruck und hält ihn konstant. Das Gas fließt dann mit einer geringen Geschwindigkeit durch den Durchflufiroesser 1Ο7 in den Einlaßblock 178 und den Zwischenraum 216-Der Temperaturunterschied zwischen der Luft in Kammer 226 und dem Gas in Kammer 227 gleicht sich dann aus, da die Blöcke 177, 178, thermisch leitend sind. Die Luftkamraer 226 wird zur Atmosphäre hin über den Trockner 191 und das Entlüftungsrohr 192 offengehalten.

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Das Innere der Gaskammer 227 wird bei einer sehr niederen Rate kontinuierlich, gespült, und das Gas darin wird durch den Ring 188 in Fig. 6 abgesaugt. Die auf Gas und Luft ansprechenden Kristalle 111, 112 in Fig. 4 werden dann durch Speisung der einzigen Spule 108 mit einem sinusmodulierten Simiswellenträger ohne Gleichanteil zum Schwingen gebracht. Völlig unerwartet bringt diese einzige Antriebsspule 108 die Gas- Und Luftflügel 109, 110 zum Schwingen bei entsprechend unterschiedlichen Frequenzen. Diese unterschiedlichen Frequenzen werden von den auf Gas und Luft ansprechenden Kristallen 111, 112 aufgenommen. Die verstärkten Ausgangssignale der Kristalle 111, 112 werden von den Verstärkern 117, 118 über die einstufigen Binärteiler 900, 901 dem Leistungsverstärker 113 aufgeprägt. Die automatischen Verstärkungsregelungsschaltungen 119, 120 halten die Spitzenwerte der Ausgangssignale der Verstärker Ii7, 118 konstant und gleich.

Weil der ferromagnetische Stab 186 die Flügel 109, 110 unabhängig von der Stromrichtung in der Treiberspule 187 immer in derselben Richtung anzieht, sind die Frequenzen der Ausgangssignale der Verstärker 117, 118 doppelt so groß wie die Schwingfrequenzen der Flügel. Dieser Sachverhalt wird durch die einstufigen Frequenzteiler berücksichtigt.

Der Leistungsverstärker 113 addiert die Ausgangs signale der Frequenzteiler 900, 901 faj-ls erwünscht zu Strom- und Spannungsrückkopplungssignalen. Das Ausgangssignäl des Leistungsverstärkers 113 wird der Antriebsspule 108 und dem Amplitudendemodulator 114 aufgeprägt. Das Ausgangssignäl des Leistungsverstärkers 113 ist der besagte sinuswellenmoduiierte Träger ohne Gleichanteil. Der Amplitudendemodulator 114 kann wie ein herkömmlicher Amplitudendemodulator arbeiten, der er auch sein kann.

Auf diese Weise erzeugt der Ausgang des Amplitudendemodulators 114 ein Ausgangssignal, das dem Phasendetektor 124 der phasenstarren

6 Π 9 8 ? 3 / 0 %^τζΖ i><?J

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Schleife 115 eingeprägt wird. Das Ausgangssignal des Amplitudendemodulators 114 ist dann ein durch einen Doppelweggleichrichter gewonnenes Signal von halber mittlerer Differenzfrequenz der Flügel, d. h. das durch den Doppelweggleichrichter gewonnene Ausgangssignal des Amplitudendemodulators 114 ist das gleiche wie die durch Doppelweggleichrichtung gewonnene Sinuswelle der halben mittleren Difierenζfrequenz. Die mittlere Difierenζfrequenz ist dabei als die Hälfte der Differenz der Schwingungsfrequenzen der Flügel 109 und 110 definiert.

Die phasenstarre Schleife 115 erzeugt eine der Multiplizierschaltung 122 eingeprägte Ausgangsspannung. An deren Ausgang wird die Ausgangsspannung der Schleife 115 abgenommen, die direkt proportional der halben erwähnten mittleren Differenzfrequenz ist. Die Spannung am Schleifer 131 des Potentiometers 130 der Multiplizierschaltung 122 stellt das Produkt zweier Eingangssignale dar. Eines davon ist die Ausgangsspannung der Schleife 115 auf der Leitung 129. Das andere Eingangssignal ist" proportional dem Verhältnis &/ P und wird von der Stellung des beweglichen Stempels 132 im Zylinder 173 bestimmt, so daß das andere Eingangssignal festgelegt ist, da damit die Stellung des Schleifers 131 auf der Wicklung 134 über die mechanische Verbindung 133 bestimmt ist. Das der Ausgangsschaltung 123 über den Widerstand 138 von der Multiplizierschaltung 122 aufgeprägte Eingangssignal ist somit eine Gleichspannung, die dem Produkt aus dem Verhältnis $r/ P und der besagten mittleren Differenzfrequenz direkt proportional ist.

Die Ausgangsschaltung 123 kann benutzt werden, um durch den Spannung s-Strom-Wandler 136 oder irgendeinen davon abweichenden herkömmlichen einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der direkt proportional G ist, wie oben erläutert wurde. Die Stellung des Schleifers 158 des Potentiometers 146 der Ausgangsschaltung 123 bestimmt, welche Niveauverschiebung erforderlich ist, um den Strom an der

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Ausgangsklemme 100 direkt proportional zu G zu machen. Die Stellung des Schleifers 153 des Potentiometers 142 bestimmt den Strombereich, für den speziellen Bereich von G. Man erkennt, daß der Verstärker 137 in der Ausgangsschaltung 123 wiederum mehr oder weniger als einfacher Analog-Addierer wirkt. Da jedoch das Eingangssignal an den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 137 angeschlossen ist, wird die Nullstellungsspannung des Potentiometerschleifers 158 auf diese Weise tatsächlich vom Eingangssignal der Ausgangsschaltung 123 subtrahiert. Man beachte das Minuszeichen vor % in Gleichung {61}. Für den Meßbereich wird die Ausgangsrückkopplungsspannung am Verbindungspunkt 156 derjenigen Spannung addiert, die am Potentiometerschleifer 158 und am Verbindungspunkt 155 liegt, der mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 134 verbunden ist.

Die Erfindung kann zusammen mit analogen oder digitalen Funktionsgeneratoren verwendet werden.

4 Patentansprüche
7 Blatt Zeichnung mit
17 Figuren

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   Dichtezahl-Meßgerät mit einem jeweils eine Kammer für Luft bzw. Gas enthaltenden Körper, in denen je ein federnder ferroraagnetiseher Metallflügel einseitig·eingespannt und freitragend montiert, is tr deren jeweils freies Ende durch eine Antriebsspule zu Schwingungen in Richtung von deren Dickenabines sungen anregbar ist, wobei je ein Aufnehmer in der Nähe des jeweiligen freien Endes der Metallflügel und ein Verstärker zwischen Aufnehmer und Antriebsspule angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallflügel über die Antriebsspule zu Schwingungen mit dem halben Wert der Frequenzen der Ausgangssignale der Aufnehmer kontinuierlich angeregt sind, wobei der Verstärker elektronische Schaltungen zur Erzeugung von zwei Signalen enthält, deren Frequenz jeweils gleich der Hälfte der Frequenz des Ausgangssignals des jeweiligen Aufnehmers ist, und daß der Verstärker ein der Summe der beiden Signale direkt proportionales Summensignal der Antriebsspule zuführt.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-. nischen Schaltungen zwei einstufige Binärteiler sind.

   3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Aufnehmern eine elektronische Schaltung verbunden ist, deren Ausgangssignal direkt proportional einem Strom I ist, wobei die Größe

   dl O

   konstant ist und G

   konstant

   ist und G = —^ ist, wobei Φ die Dichte des

   Gases und ^ die Dichte von Luft ist.

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   4. Gerät nach. Anspruch. 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Summensignal eine der Dichte ^ direkt proportionale A tude aufweist, wobei ^_f durch die Formel definiert ist

   und 2E₂ der Spitzenwert einer Trägerfrequenz, ΊΓ = NJtwt ,u = N je vt, N= 1/2, w die Frequenz des Ausgangs signals des Gas-Aufnehmers und ν die Frequenz des Ausgangssignals des Luft-Aufnehmers ist.

   60.98 73/08=«£#i