DE2751418C3

DE2751418C3 - Vorrichtung zur Messung der Dichte

Info

Publication number: DE2751418C3
Application number: DE2751418A
Authority: DE
Inventors: Otto Prof. Dipl.-Ing. Dr. Dr.H.C. Kratky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-29
Filing date: 1977-11-17
Publication date: 1980-07-03
Also published as: ATA883176A; US4170128A; DE2751418A1; AT353039B; DE2751418B2

Description

„JA

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(M₀ + u V)

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M₁,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mit der l/leßsubstanz gefüllten rohrförmigen Biegeschwingers, 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 Biegelchwinger beeinflußter mechanisch-elektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem den ftiegeschwinger beeiflussenden elektro-mechanischen Wandler verbunden ist.

In der AT-I¹S 2 KO bf>2 isl cmc Vorrichtung /ur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten ■nd Gasen, beschrieben, bei der die Messung der Dichte iuf die Bestimmung der Schwingungsdauer eines Biegeschwingers zurückgeführt wird, der mit der zu »lessenden Substanz gefüllt ist und der auf elektrischem Wege in seiner Resonanzfrequenz erregt wird.

Der Biegeschwinger ist in Form eines U-förmigen Rohres aufgebaut, das an seinen offenen Enden fest tingespannt ist. Das Rohr kann in zwei verschiedenen Schwingungsformen erregt worden, nämlich normal zur Ebene des U oder in der Ebene des U, wobei die Schenkel gegeneinander schwingen (Fig, 1 bis 4). Die ResöhaiizkreisfreclUenz 6) eines solchen Biegeschwin* gers läßt sich berechnen zu

Wenn der Schwinger nacheinander mit zwei verschie- > denen Substanzen bekannter Dichte gefüllt wird und die zugehörigen Resonanzfrequenzen gemessen werden, können die schwingerabhängigen Größen j und ₍"bestimmt werden. Da diese Größen als Apparatekonstan-

jü ten 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.

Nun sind die Größen cund V von der Temperatur und

ii vom Druck des Meßgutes abhängig, da der Elastizitätsmodul des Rohrmaterials temperaturabhängig ist und die Abmessungen des schwingenden Rohres durch Druck und Temperatur verändert werden.

In der DE-OS 22 49 269 ist ein Verfahren angegeben,

m diese Abhängigkeit durch eine steua. bare 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 proportio-

r, nal der von den Federn aufgebrachten Kraft ist Sind nun Federn und Meßschwinger im selben Gehäuse untergebracht, so wird die Temperatur der Federn von der Temperatur des durch den Meßschwinger strömenden Präparates beeinflußt. Im Idealfalle — bei genügend

.n langer Angleichszeit — werden die Federn die Temperatur des Präparates annehmen. Da die Federkraft infolge der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls mit steigender Temperatur abnimmt, ergibt sich eine aus der temperaturabhängigen Verspannung

'■ι des Meßschwingers resultierende Eigenfrequenzänderung, welche der temperaturabhängigen Eigenfrequenzänderung der Schwingerparameter (c und V) entgegen wirkt. Bei entsprechender Dimensionierung können sich diese Einflüsse kompensieren. Dp für die Kompensation

wi nur die Änderung einer bestehenden Verspannung durch die Federn herangezogen wird, der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls aber in der Größenordnung von nur 2 ' 10—' pro °C liegt, müssen die Kömpensätionsfedern mit großen Kräften vorgespannt

«■ι werden, damit die temperalurabhängigen Anteile ausreichend groß sind. Diese großen Kräfte erfordern (I) Federn, die aus dickem Draht gewickelt sind. Da die

Kompensationsfedern die Temperaturfühler für die

Kompensation bilden, kann das System nur dann funktionieren, wenn der Meßschwinger, der die Temperatur des durchströmenden Präparates annimmt, und die Kompensationsfedern dieselbe Temperatur aufweisen. Der zulässige Temperaturunterschied darf, je nach erforderlicher Genauigkeit, nur einige hundertste! Grad betragen. Bei dem in der DE-OS 22 49 269 angegebenen Verfahren kann letztgenannte Forderung praktisch nicht realisiert werden, da die Federn nur über die Gasatmosphäre des Raumes, in dem der MeQ-schwinger 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 Präparattemperatur, wodurch dieses System für Messungen bei in industriellen Prozessen üblichen remperaturänderungsgeschwindigkeiten nicht verwendbar isL

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Federzahl c des MeSschwingers mit Hilfe einer Vorrichtung zu beeinflussen, weiche die obengenannten Nachteile nicht besitzt.

Hierfür ist erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der gespannte Körper ein biegeschlaffes Element in Form einer Saite, wobei Mittel vorgesehen sind, die gewährleisten, daß sich die Auslenkung des Biegeschwingers auf die Saite und die Rückstellkraft der Saite auf den Biegesrhwinger überträgt

Der Biegeschwinger ist dabei so mit der gespannten Saite verbunden, daß sich 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 kompensiert ,1. Eine druckabhängige Saitenspannung ergibt eine Druckkompensation. Eine trägheitslose temperaturabhängige Veränderung der Saitenspannung kann dadurch erreicht werden, daß die Saite (therm. Ausdehnungskoeffizient klein) so am Schwingerrohr befestigt 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.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der u. a. zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert.

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

F i g. 2 eine Draufsich* hierzu,

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

F i g. 4 eine Draufsicht hierzu,

Fig,5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Temperaturkompensation und

Fig.6 ein Ausführungsbeispiel zur Druckkompensation.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen U-förmigen Biegeschwinger 1, dessen Scllenkelenden in einer Halterung 2 eingespannt sind und c|ei zu Schwingungen senkrecht zur Ebene des U erregt ist, wie das durch die strichpunktierten Linien IM" in Fig. 1 angedeutet ist Demgegenüber zeigen die Fig.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'" und die strichpunktierten Linien 1IV dargestellt ist

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das zur Temperaturkompensation bestimmt ist, schwingt das U-förmige Schwingerrohr 1 in der Ebene des U. Die Schenkel schwingen, wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, gegeneinander. Längs eines Schenkels ist eine Saite 4 aufgespannt, deren wirksame Länge durch Verschiebung der Reiter 5, 6 justiert werden kann. Die Mitte der Saite 4 ist über einen Stab 7 mit dem 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

2U Rückstellkraft der Saite addiert sich zur Rückstellkraft der Schenkel, da sich die beiden F^;-spannstellen 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 inre Rückstellkraft steigt entsprechend und gleicht die Abnahme der Rückstellkraft des Schwingers 1 aus, welche auf die temperaturbedingte Abnahme des Elastizitätsmoduls des Schwingermaterials zurückzuführer ist

Gegenüber den bisher bekannten Vorrichtungen ist ein entscheidender Vorteil dieser Konstruktion, daß das Schwingerrohr selbst den Temperaturaufnehmer für die Kompensation darstellt Eine Temperaturänderung

i'j 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« vernachlässigt und schnelle — praktisch trä^heitslos arbeitende — Regler realisiert werden können. Durch den Einsatz von Saiten aus Materialien mit dem Ausdehnungskoeffizient von praktisch Null

4-1 (Invar, Quarz, Wolfram) hat deren Temperatur, die von der Atmosphäre des d.-n Meßschwingtr umgebenden Raumes bestimmt wird, keinen störenden Einfluß auf die Messung.

Die Saite der Länge / ist - Biegeschlaffheit

Ί» vorausgesetzt -- ein exakter Wandler von Zugkraft S auf Federzahl c.

4.S

Die Saitenspannung Seiner biegeschlaffen Saite mit dem Ausdehnungskoeffizienten Null auf einem Schwingerrohr befestigt, welches den Ausdehnungskoeffizienten α (z. B Stahl 1,6 ■ 10 Vk) besitzt, ergibt für eine Temperaturänderung des Schwingerrohres θ zu

S = λ · E · Θ · F,

wobei Fder Querschnitt und Eder Elastizitätsmodul der Saite ist. Nach obigem ist daher die Federzahl der Saite direkt proportional der Tetr.peraturänderung Θ. Da die Saitengleichung von der Zugspannung Null an gilt, ist keine nennenswerte Verspannung der Saite erforder-

lieh. Daher kann der Querschnitt der Saite sehr klein gehalten werden. (Für 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 DE-OS 22 49 269 nur ein sehr kleiner Teil der effektiv aufgebrachten Federkraft, die in ihrer Gesamtgröße verstimmend wirkt, zur Temperaturkompensation verfügbar ist. Unerwünschte Veränderungen ärri 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 Ausführungsbeispiel 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 Saitenspannung 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 (F i g. 5) ein Material gewählt wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient von jenem des Schwingermäterials abweicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mit der Meßsubstanz 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) ein biegeschlaffes Element in Form einer 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 Enden der Saite (4) am Biegeschwinger (J) befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Reiter (5, 6), ein oder mehrere Stäbe (7, 8) 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) abweicht

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saite (9) durch eine Membran (U_-" gespannt ist, über die die Saitenspannung vom Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases abhängig ist.

10

wobei c die Federzahl und m die Masse 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 Masse Ma des leeren Schwingers und der Masse q · Vdes Präparates, wobei ρ dessen Dichte und V jedes 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: