DE2751418A1

DE2751418A1 - Vorrichtung zur messung der dichte

Info

Publication number: DE2751418A1
Application number: DE19772751418
Authority: DE
Inventors: Otto Prof Dipl Ing Dr D Kratky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-29
Filing date: 1977-11-17
Publication date: 1978-06-01
Also published as: US4170128A; DE2751418C3; AT353039B; ATA883176A; DE2751418B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mit der Meßsubstanz gefüllten rohrförmigen Biegeechwingers, der mit einem gespannten Körper verbunden ist, dessen Spannung von der Temperatur und bzw. oder von dem Druck der Meßsubstanz abhängt. Sie bezieht sich vor allem auf Anordnungen, bei denen ein vom Biegeschwinger beeinflußter mechanisch-elektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem den Biegeschwinger beeinflussenden elektromechanischen Wandler verbunden ist.

In der OE-PS 280 662 ist eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und (rasen, beschrieben, bei der die Messung der Dichte auf die Bestimmung der Schwingungsdauer eines Biegeschwingers zurückgeführt wird, der mit der zu messenden Substanz gefüllt ist und der auf elektrischem Wege in seiner Resonanzfrequenz erregt wird.

Der Biegeschwinger ist in Form eines U-förmigen Rohres aufgebaut, das 4n seinen offenen Enden fest eingespannt ist. Das Rohr kann in zwei verschiedenen Schwingungeformen

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erregt werden, nämlich normal zur Ebene dee U oder in der Ebene des TJ, wobei die Schenkel gegeneinander schwingen (Figuren 1 bis 4). Die Resonanzkreisfrequenz CJ eines solchen Biegeschwingerβ läßt sich berechnen zu

if⁵"

(D

wobei c die Federzahl und m die Hasse des Schwingers bedeuten. Der Betrag der Federzahl ist bestimmt vom Elastizitätsmodul des Schwingermaterials, den Abmessungen des Schwingers und der Schwingungsform. Die Masse m setzt sich zusammen aus der Hasse H_Q des leeren Schwingers und der Masse f . V dee Präparates, wobei f dessen Dichte und V jenes Volumen des Präparates bedeuten, welches an der Schwingung teilnimmt. Dieses Volumen ist durch die Abmessungen des Schwingers und die Lage der Schwingungsknoten gegeben. Daraus folgt t

- y

(2)

4 V(M₀TT) (3)

Wenn der Sohwinger nacheinander mit zwei verschiedenen Substanzen bekannter Dichte gefüllt wird und die zugehörigen Resonanzfrequenzen gemessen werden, können die schwingerabhängigen Größen γ und y£ bestimmt werden. Da diese Größen als Apparatekonstanten betrachtet werden dürfen, können sie zur Berechnung der Dichte einer unbekannten Flüssigkeit verwendet werden, indem man diese in den Schwinger einfüllt und nun die Eigenfrequenz mißt.

lun sind die Größen c und V von der Temperatur und vom Druck des Hefigutes abhängig, da der Elastizitätsmodul

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des Rohrmateriale temperaturabhängig ist und die Abmessungen des schwingenden Rohres durch Druck und Temperatur verändert werden.

In der DT-OS 2 249 269 iat ein Verfahren angegeben, diese Abhängigkeit durch eine steuerbare Beeinflussung der Temperaturabhängigkeit der Federzahl des Schwingers zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird der Meßschwinger über starke Federn verspannt, wodurch eine Eigenfrequenzänderung erzielt wird, die proportional der von den federn aufgebrachten Kraft ist. Sind nun Pedern und Heßschwinger im selben Gehäuse untergebracht, so wird die Temperatur der Federn von der Temperatur des durch den Meßschwinger strömenden Präparates beeinflußt. Im Idealfalle - bei genügend langer Angleichezeit -werden die Federn die Temperatur des Präparates annehmen. Sa die Federkraft infolge der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls mit steigender Temperatur abnimmt, ergibt sich eine aus der temperaturabhängigen Verspannung des Meßschwingers resultierende JSigenfrequenzänderung, welche der temperaturabhängigen Eigenfrequenzänderung der Schwingerparameter (c und V) entgegen wirkt. Bei entsprechender Dimensionierung können eich diese Einflüsse kompensieren. Da für die Kompensation nur die Änderung einer bestehenden Verspannung durch die Federn herangezogen wird, der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls aber in der Größenordnung von nur

A Λ

2.10 pro C liegt, müssen die Kompensationsfedern mit groesen Kräften vorgespannt werden, damit die temperaturabhängigen Anteile ausreichend groß sind. Diese großen Kräfte erfordern Federn, die aus dickem Draht gewickelt sind. Da die Kompeneationsfedern die Temperaturfühler für die Kompensation bilden, kann das System nur dann funktionieren, wenn der Meßachwinger, der die Temperatur des durchströmenden Präparates annimmt, und die Kompeneationsfedern dieselbe Temperatur aufweisen. Der zulässige Temperaturunterschied darf, je nftOh erforderlicher Genauigkeit, nur einige hundertstel Grad betragen. Bei dem in der DT-OS 2 249 269 angegebenen Verfahren

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kann letztgenannte Forderung praktisch nicht realisiert werden, da die Federn nur über die Gasatmosphäre des Raumes, in dem der Heßschwinger liegt, temperiert werden. Die Temperatur dieses Raumes wird jedoch neben der Präparattemperatur auch noch von der Gehäusetemperatur und damit von der Umgebungstemperatur stark beeinflußt. Abgesehen davon verhindert die große Wärmekapazität der starken federn einen schnellen Temperaturangleich an eine wechselnde Präparat tempera tür, wodurch dieses System für Messungen bei in industriellen Prozessen üblichen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten nicht verwendbar ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Federzahl c des Meßschwingers mit Hilfe einer Vorrichtung zu beeinflussen, welche die oben genannten Nachteile nicht besitzt.

Hiefür ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der gespannte Körper biegeschlaff (eine Saite), wobei Mittel vorgesehen sind, die gewährleisten, daß sich die Auelenkung des Biegeschwingers auf die Saite und die Rückstellkraft der Saite auf den Biegeschwinger überträgt.

Per Biegeschwinger ist dabei so mit der gespannten Saite verbunden, daß eich die Rückstellkraft der Saite zur Rückstellkraft des Schwingers addiert. Da die Rückstellkraft der Saite proportional der Saitenspannung und verkehrt proportional der Saitenlänge ist, resultiert aus dieser Maßnahme eine durch die Saitenspannung steuerbare Federkraft des Schwingers. Wird die Saitenspannung von der Präparattemperatur abhängig gemacht, so läßt sich der Temperatureinfluß kompensieren. Eine druckabhängige Saitenspannung ergibt eine Druckkompensation. Sine trägheitslose temperaturabhängig· Veränderung der Saitenspannung kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß die Saite (therm. Ausdehnungskoeffiiient klein) so an Schwingerrohr befestigt

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wird, daß die thermische Ausdehnung des Schwingers die Saite mehr oder weniger spannt. Die genaue Anpassung an den Betrag der zu kompensierenden Abhängigkeit wird dabei durch Variation der Saitenlänge vorgenommen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Zeichnung, in der u.a. zwei Auaführungsbeispiele dargestellt sind.

Fig.1 zeigt eine Seitenansicht eines U-förmigen Biegeschwingers, der zur Schwingung normal zur Ebene des U erregt ist,

Pig.2 eine Draufsicht hierzu,

Fig.3 eine Seitenansicht eines U-förmigen Biegeschwingers, der zu Schwingungen in der Ebene des U erregt ist,

Pig.4 eine Draufsicht hierzu,

Pig.5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Temperaturkompensation und

Pig.6 ein Ausführungsbeispiel zur Druckkompensation.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen U-förmigen Biegeschwinger 1, dessen Schenkelenden in einer Halterung 2 eingespannt sind und der zu Schwingungen senkrecht zur Ebene des U erregt ist, wie das durch die strichpunktierten Linien 1', 1" in Pig.1 angedeutet ist.

Demgegenüber zeigen die Figuren 3 und 4 einen U-förmigen Biegeschwinger 1, mit einem auf den Schenkeln befestigten Joch 3, der in der Ebene des U erregt ist, wie dies durch die strichpunktierten Linien 1^M' und die strichpunktierten Linien 1 IV dargestellt ist.

Bei dem in Pig.5 dargestellten Aueführungebeispiel der Erfindung, das zur Temperaturkompensation bestimmt ist, schwingt das U-förmige Schwingerrohr 1 in der Ebene des U. Die Schenkel schwingen, wie aus Fig.4 ersichtlich ist, gegeneinander. Längs eines Schenkels ist eine Saite 4 aufgespannt, deren wirksame Länge durch Verschiebung der Rei-

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ter 5,6 justiert werden kann. Die Mitte der Saite 4 ist über einen Stab 7 mit den gegenüberliegenden Schenkel verbunden. Schwingt nun das U-förmige Schwingerrohr in der Ebene des U (Fig.4), so wird die Saite 4 durch die Schwingbewegung der Schenkel ausgelenkt und die Rückstellkraft der Saite addiert sich zur Rückstellkraft der Schenkel, da eich die beiden Einepanne te Ilen der Saite in entgegengesetzter Richtung bewegen wie ihre Mitte. Der lineare, thermische Ausdehnungskoeffizient der Saite 4 ist wesentlich kleiner als der des Schwingermaterials. Dadurch wird die Saite 4 bei Temperaturerhöhung stärker gespannt, ihre Rückstellkraft steigt entsprechend und gleicht die Abnahme der Rückstellkraft des Schwingers 1 aus, welche auf die temperaturbedingte Abnahme des Elastizitätsmoduls des Schwlngermaterials zurückzuführen ist.

Gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen ist ein entscheidender Vorteil dieser Konstruktion, daß das Schwingerrohr selbst den Temperaturaufnehmer für die Kompensation darstellt. Eine Temperaturänderung wird daher mit jenem Element des Systems gemessen, an dem die zu kompensierende Veränderung auftritt, wodurch eine vollkommen verzögerungsfreie Kompensation erreicht wird. Dieser Umstand ist bei der Anwendung der Vorrichtung in geschlossenen Regelkreisen von größter Wichtigkeit, da die Störgröße "Temperatur" vernaohläaaigt und schnelle - praktisch trägheitslos arbeitende - Regler realisiert werden können. Durch den Einsatz Ton Saiten aus Materialien mit dem Ausdehnungskoeffizient von praktisch lull (Invar, Quarz, Wolfram) hat deren Temperatur, die von der Atmosphäre des den Mefischwinger umgebenden Raumes bestimmt wird, keinen störenden Einfluß auf die Messung.

Die Saite der Lange 1 ist - Biegeschlaffheit vorausgesetzt - ein exakter Wandler von Zugkraft S auf Pederzahl c.

Die 9aitenspannung 8 einer biegeschlaffen Saite mit dem Ausdehnungskoeffizienten VuIl auf einem Schwingerrohr befestigt,

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welches den Ausdehnungskoeffizienten ,/(z.B. Stahl 1,6 · 10 /K) besitzt, e
des Schwingerrohres θ zu

1,6 · 10 /K) besitzt, ergibt für eine Temperaturänderung

wobei P der Querschnitt und E der Elastizitätsmodul der Saite ist. Nach Obigem ist daher die i'ederzahl der Saite direkt proportional der Temperaturänderung Θ. Da die Saitengleichung von der Zugspannung Null an gilt, ist keine nennenswerte Verspannung der Saite erforderlich. Daher kann der Querschnitt der Saite sehr klein gehalten werden. (Pur einen Stahlschwinger der Wandstärke 0,2 mm mit einem Durchmesser von 7 mm beträgt der notwendige Saitenquerschnitt 0,03 mm²).

Besonders vorteilhaft wirkt sich aus, daß bei der Saitenkompensation praktisch die ganze zusätzlich aufgebrachte Federkraft der Kompensation dient, während bei dem Gegenstand nach der DT-OS 2 249 269 nur ein sehr kleiner Teil der effektiv aufgebrachten Federkraft, die in ihrer Gesamtgröße verstimmend wirkt, zur Temperaturkompeneation verfügbar ist. Unerwünschte Veränderungen am Kompensationssystem (Alterung, Toleranzen in der mechanischen Ausführung) beeinflussen die Meßgenauigkeit daher um mehrere Größenordnungen stärker als bei der Saite.

Bei dem in Fig.6 dargestellten Ausführungebeispiel der Erfindung, das zur Druckkompensation vorgesehen ist, ist der Schwinger 1 über einen Stab 8 mit der Saite 9 verbunden, welche an einem Ende 10 fixiert und am anderen Ende mit einer Membran 11 verbunden ist. Die Saite 9 ist über eine Feder 12 vorgespannt. Eine Druckänderung in dem mit dem Präparat in Verbindung stehenden Raum 13 ändert die Saitenepannung und damit die Rückstellkraft des Schwingers.Zur Einstellung der Kompensation kann der Stab 8 längs der Saite 9 verschoben werden.

Eine gewisse Temperaturkompensation kann auch gegebenenfalls zusätzlich dadurch erreicht werden, daß für den Stab 7 (Fig.5) ein Material gewählt wird, dessen thermischer Auedehnungekoeffizient von jenem dee Schwingermaterials abweicht.

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Patentansprüche:

-9-Leerseite

Claims

Patentansprüche

Iy Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mit der Heßsubstanz gefüllten rohrförmigen Biegeschwingers, der mit einem gespannten Körper verbunden ist, dessen Spannung von der Temperatur und bzw. oder von dem Druck der Meßsubstanz abhängt,

dadurch gekennzeichnet, daß der gespannte Körper (4,9) biegeschlaff (eine Saite) ist und Mittel vorgesehen sind, die gewährleisten, daß sich die Auslenkung des Biegeschwingers (1) auf die Saite (4,9) und die Rückstellkraft der Saite (4,9) auf den Biegeschwinger (1) überträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden finden der Saite (4) am Biegeschwinger (1) befestigt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reiter (5,6), ein oder mehrere Stäbe (7»β) od.dgl. vorgesehen sind, mit Hilfe derer die wirksame Länge der Saite (4,9) veränderbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schwingermaterials vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Saite (4) und bzw. oder der Stäbe (7,8) od.dgl. abweicht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saite (9) durch eine Membran (11) od.dgl. gespannt ist, über die die Saitenspannung vom Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases abhängig ist.

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