DE2801613A1

DE2801613A1 - Schwingungsdensitometer

Info

Publication number: DE2801613A1
Application number: DE19782801613
Authority: DE
Inventors: Milton H November
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1977-02-07
Filing date: 1978-01-14
Publication date: 1978-08-10
Also published as: NL7801310A; JPS53121664A; US4064738A; FR2379810A1; CA1067718A; GB1582816A

Description

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Schwingungsdensitometer

Die Priorität der Anmeldung Nr. 766 265 vom 7. Februar 1977 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das die Funktion der Dichte einer Flüssigkeit darstellt; die Erfindung betrifft insbesondere ein Schwingungsdensitometer mit entsprechender Sonde.

Das erfindungsgemäße Schwingungsdensitometer besteht aus einem elektromechanischen Oszillator mit einer Sonde und einer Rückkopplungsschleifenschaltung, einem daran angeschlossenen Funktionsgenerator, einer sich an den Funktionsgenerator anschließenden Auswertvorrichtung, wobei die Sonde zwei konzentrisch zueinander liegende, in bestimmter Lage fixierte Zylinder aufweist, von denen der äußere eine radial hindurchführende Bohrung aufweist sowie eine Welle, die in ihr verschiebbar ist und an dem inneren Zylinder angreift, und einer Vorrichtung, die die Welle in Richtung ihrer Achse und damit auch den inneren Zylinder in Schwingung versetzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der lediglich zur Erläuterung dienenden Zeichnung beschrieben. Es stellen dar:

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10. Januar 1978

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Fig. 1 ein Blockdiagramm des Densitometers,

Fig. 2 eine räumliche Ansicht der Densitometersonde,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Sonde entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Reihe von Bauteilen der Sonde nach Fig. 2,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Aufbau entlang der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 einen vergrößerten Längsschnitt durch einen Teil der Sonde nach Fig. 2,

Fig. 7 einen Längsschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 3 durch den Teil der Befestigung eines elektrischen Anschlusses, der an der Sonde befestigt ist, und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Sonde, die nach der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.

Fig. 1 zeigt die Schwingungsdensitometersonde 34" ' mit der Antriebsspule 23", dem Flügel 24'', dem piezoelektrischen Kristall 25" ' und dem Vorverstärker 26".

Die Sonde 34'" weist die Eingangsleitung 27*' und die Ausgangsleitung 28"' auf.

In Fig. 1 werden ferner die Schleifenschaltung 29", der digitale Funk tions generator 30" und die Anzeigevorrichtung 31"

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gezeigt. Die Schleifenschaltung 29'· besitzt den Eingang 32'' und die Ausgänge 33*' und 34''. Der digitale Funktionsgenerator 30"* ist über die Eingangsleitung 32" mit dem Ausgang 34'* der Schleifenschaltung verbunden. Sein Ausgang führt zur Anzeigevorrichtung 31 · ' .

Vom Ausgang 28'' der Sonde 34**' führt eine Verbindung zum Eingang 34'* der Schleifenschaltung 29·' , deren Ausgang 33'* wiederum an den Eingang 27*'. der Sonde 34''' angeschlossen ist. Die Sonde 34''' und die Schleifenschaltung 29'' bilden einen geschlossenen elektromechanischen Oszillator. Der Flügel 24'' taucht in einen Fließstoff ein, dessen Dichte eine Funktion der Schwingungsfrequenz des Flügels 24"' ist.

Der digitale Funktionsgenerator 3O besitzt den Eingang 35*', der mit dem Ausgang 33 oder anderen Punkten der Schleifenschaltung 29*' verbunden ist. Letztere drückt eine Rechteckspannung dem Eingang 35'' des digitalen Funktionsgenerators 3O'' auf, die ein Puls-Pausen-Verhältnis von 1:1 besitzt.

Die Anzeigevorrichtung 31'' aus Fig. 1 kann ein Gerät zur Anzeige der Dichte oder des spezifischen Gewichtes, ein Verfahrensregler oder dergleichen sein.

Im Verlauf der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung wird auf die folgenden Patentanmeldungen Bezug genommen:

1) P 21 41 397

2) P 22 11 276

3) P 22 11 334

4) P 22 15 568

5) P 24 57 279

Die unter den Punkten 1-5 angegebenen Patentanmeldungen werden nachstehend als P1, P2, P3, P4 und P5 bezeichnet.

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Die Sonde 34'^fl in Fig. 1 entspricht der herkömmlichen Bauweise. Die Sonde nach der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 8 dargestellt.

Die Fig. 1-7 verkörpern den Stand der Technik.

Die in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Densitometersonde weist einen Schaft 11 mit dem Gehäuse 12 am oberen Ende und dem röhrenförmigen Bauteil 13 am unteren Ende sowie einen mittels Schraubbolzen 15 an dem oberen Ende des Gehäuses 12 befestigten elektrischen Anschluß 14 auf. Die ringförmigen Befestigungsteile 16 und 17 umgeben den Schaft 11 und ermöglichen so eine Befestigung der Sonde 1O in dem zylindrischen Ansatz 18 der Rohrleitung 19, wie Fig. 3 zeigt.

Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, ist ein Flügel 20 aus rostfreiem Stahl in dem Bauteil 13 in senkrechter Stellung zur Achse eines hohlzylindrischen, magnetostriktiven inneren Rohres 21 befestigt. Der Flügel 20 kann gegebenenfalls auch symmetrisch zur Achse der ihn umgebenden äußeren Hülse 22 befestigt sein.

Der Flügel 20 kann aus einer rechteckigen Platte mit planparallel zueinander angeordneten oberen und unteren Oberflächenseiten gemäß Fig. 3 bestehen; er kann andererseits auch wechselseitig senkrecht zueinander verlaufende Oberflächen besitzen, welche einen Quader bilden.

Der Schaft 11 schließt nicht nur das innere Rohr 21, sondern auch ein äußeres Magnetrohr 23 ein. Eine Antriebsspule, die aus einer um eine Nylonhülse 25 gewickelten Magnetspulenwicklung 24 besteht, wird fest auf die Außenfläche des inneren Rohres 21 gedrückt und sitzt in einer Lücke zwischen den Rohren 21 und 23 gegen das untere Ende des Schaftes 11. Die Spule 24 wird so in einer weitgehend fixierten Stellung auf dem inneren Rohr 21 ge-

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halten , obgleich dies für die Handhabung des Gerätes nach der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich ist.

Der Flügel 20 wird zwischen zwei Halbzylindern 26 und 27 gehalten, wie Fig. 3 und 4 zeigen. Die Längskanten des Flügels werden z. B. zwischen den Halbzylindern 26 und 27 mit einem

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Druck von ca. 1412 kg/cm zusammengepreßt, da der Aufbau, wie er in Fig. 3 gezeigt wird, in einer Hülse 22 festsitzend eingespannt ist und die Hülse 22 vor dem Einspannen erhitzt wird.

Der Halbzylinder 26 hat vier Ansätze 28, und der Halbzylinder hat vier Ansätze 29, die dafür sorgen, daß eine Längsbewegung des Flügels 20 zwischen dem Halbzylinder 26 und dem Halbzylinder nicht möglich ist, obgleich eine solche aufgrund des Spanndrucks, der auf dem Flügel 20 zwischen den Halbzylindern 26 und 27 lastet, ohnehin unwahrscheinlich ist.

Die Halbzylinder 26 und 27 und der Flügel 20 können so ausgebildet sein, daß sie zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls 30 eine Aussparung oder Mulde haben. Der Kristall 30 hat elektrische Anschlüsse 31 und 32, die um die Halbzylinder 26 und 27 in den entsprechenden Rillen 33 und 34 zu einem Punkt führen, an dem sie das hohle Innere des inneren Rohres 21 erreichen. Dieser Einlaß ist am unteren Ende desselben in Fig. zu erkennen.

Die Ansätze 28 und 29 nach Fig. 4 besitzen einen schmalen Zwischenraum bei 35, damit sichergestellt ist, daß der Druckkontakt der Halbzylinder 26 und 27 auf den Flügel 20 dem Festsitz entsprechend hoch ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist die Nabe 36 bei 37 an die Hülse 13 flüssigkeitsdicht angeschweißt. Obgleich das Gerät der vorliegenden Erfindung durchaus nicht immer flüssigkeits-

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dicht sein muß, kann eine Glas-Metallabdichtung oder eine andere Abdichtung in dem inneren Rohr 21 für die Anschlüsse 31 und 32 angebracht sein. Wenn gewünscht, kann vor der Einpassung der Kristall 30 und diejenigen Teile der Anschlüsse 31 und 32 in den Rillen 33 und 34 in Epoxidharz eingebettet werden. Nach der Einpassung kann das ganze Gerät, wenn es vollständig zusammengebaut ist, mit einem Bindemittel im Bereich der Bauteile im Inneren des Rohres 22 behandelt werden. Jedes herkömmliche Verfahren zum Verkitten kann benutzt werden, wobei man ein Bindemittel benutzen kann, aber nicht muß, das unter dem Namen "Locktite" im Handel ist.

Wie zuvor dargelegt, kann die Nabe 36 an die Hülse 22 bei 37 flüssigkeitsdicht angeschweißt sein. Darüber hinaus kann das äußere Rohr 23 auf die Nabe 36 aufgeschraubt und flüssigkeitsdicht bei 38 angeschweißt sein. Die Nabe 36 kann für alle praktischen Zwecke so als fester Bestandteil des äußeren Rohres 23 angesehen werden. Die Nabe 36 wird z. B. auch aus magnetischem Material gemacht. Unter den Begriff magnetisches Material, wie er hier gebraucht wird, kann jedes magnetische Material fallen, nicht nur rostfreier Stahl. Obgleich das innere Rohr 21 magnetisch ist, muß es auch magnetostriktiv sein. Ungeachtet dieser Einschränkung muß bemerkt werden, daß das innere Rohr 21 zur Erzeugung einer Schwingung herangezogen wird, und wenn ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ohne das andere benutzt wird, mag die Verwendung eines magnetostriktiven oder magnetischen Materials nicht erforderlich sein, und die Erfindung kann trotzdem angewendet werden.

Das innere Rohr 21 hat einen Ringansatz 39 mit einem Absatz Das äußere Rohr 23 hat eine untere Ausbohrung 41, getrennt durch einen ringförmigen Absatz 43 von einer schmalen oberen Ausbohrung 42. Absatz 40 und Absatz 43 stoßen zusammen. Vom Absatz 40 bis zu seinem unteren Ende befindet sich das innere

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Rohr 21 immer in axialer Kompression, d. h., das innere Rohr wird sowohl bei angeregter wie auch bei nicht angeregter Spule 24 komprimiert. Die Spule 24 wird mit Wechselstrom versorgt, der lediglich den Kompressionsgrad des inneren Rohres verändert.

Der Ringansatz 39 hat ein Loch 44, durch das die elektrischen Zuleitungen der Spule 24 vom Ort der Spule 24 zwischen den Rohren 21 und 23 nach oben aufsteigen können.

Die Art und Weise, in der die Sonde 10 in die Rohrleitung 19 eingebaut ist, wird in Fig. 6 deutlicher gezeigt. Man sieht aus Fig. 6, daß das äußere Rohr 23 einen nach außen sich erstreckenden radialen Vorsprung 45 aufweist, gegen den durch Befestigungsteile 16 und 17 auf beiden Seiten Gummiringe 46 und 47 gedrückt werden. Der Befestigungsteil 17 ist in das Anschlußstück 18 eingeschraubt und darin durch eine herkömmliche Dichtungsmasse 48 eingedichtet, wie in Fig. 3 gezeigt wird. In Fig. 6 erkennt man, daß der Befestigungsteil 16 an der Innenseite des Befestigungsteils 17 an diesem bei 49 angeschraubt ist. Das Ausmaß, in dem die Ringe 46 und 47 zusammengedrückt werden, wird deshalb durch die Stellung des Befestigungsteils 16 bestimmt, d. h., man kann den Befestigungsteil 16 z. B. mittels eines Schraubenschlüssels drehen, bis die gewünschte Kompression des O-Rings erreicht ist.

Aus der in Fig. 6 gezeigten Konstruktion erkennt man, daß nur die 0-Ringe 46 und 47 das äußere Rohr 23 berühren und daß deshalb der Schaft 11 weder vom Befestigungsteil 16 noch vom Befestigungsteil 17 jemals berührt wird.

In vorteilhafter Weise werden die Leitungen der Spule 24 von den Leitungen des Kristalls 30 magnetisch getrennt gehalten.

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Dies wird durch einen noch zu beschreibenden Teil des Gehäuses 12 bewirkt. Das Gehäuse 12 weist den Befestigungsteil 50 auf, der auf das äußere Rohr 23 aufgeschraubt ist. Ein Zylinder 51 ist auf dem Befestigungsteil 50 aufgeschraubt. Ein Dichtungsring 52 ist genau sitzend eingepreßt und somit an dem Befestigungsteil 50 und dem inneren Rohr 21 fixiert. Das innere Rohr 21 besitzt ein oberes Ende, das an dem Dichtungsring 52 fest oder gleitend angebracht sein kann. Vorzugsweise sitzt jedoch die Außenfläche des inneren Rohres 21 an seinem oberen Ende fest an der Fläche des Dichtungsrings 52 an, wodurch der Hohlraum abgeschlossen wird. Ein Schirm 53 aus magnetischem Material kann den Befestigungsteil umgebend durch eine oder zwei oder mehrere Schrauben fixiert sein. Das äußere Rohr23 hat ein rundes Loch 55, durch das die Zuleitungen der Spule 24 gehen. Der Befestigungsteil 50 hat ein Loch 56 in Verlängerung des Loches 55, durch das die Zuleitungen der Spule 24 gehen. Vom äußeren runden Teil des Loches 56 verlaufen die Spulenzuleitungen 57 und 58 zwischen den Zylindern und dem Schild 53 hinauf und sind an die Stifte 59 und 60 des elektrischen Anschlusses 14 befestigt. Der elektrische Anschluß 14 kann ein herkömmlicher fünfpoliger Anschluß sein.

Wie zuvor dargelegt, erstrecken sich die Zuleitungen 31 und 32 des Kristalls 30 aufwärts durch das Innenteil des inneren Rohres 21. An dem oberen Ende des inneren Rohres 21 sind, wie Fig. 2 zeigt, die Zuleitungen 31 und 32 an dem Einlaß des Differenzverstärkers 61 angeschlossen. Somit erstrecken sich die Zuleitungen 31 und 32 hinaus durch die obere Öffnung des inneren Rohres 21.

Der Differenzverstärker 61 kann ganz der herkömmlichen Weise entsprechen und auf einer der üblichen Platinen montiert sein. Der Verstärker 61 kann, wenn gewünscht, an der Innenseite des Schildes 53 auf herkömmliche Weise gehalten werden, er kann auch einfach auf die Stärke der Zuleitungen 31 und 32 oder die der

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Ausgangsleitungen 62 und 63 gestützt sein, die an den Stiften 64 und 65 des Anschlusses 14 befestigt sind. Eine Leitung 66 sorgt für eine Erdung zwischen Schild 53 und dem fünften Stift des Anschlusses 14.

Die Art und Weise, in der Anschluß 14 an dem Zylinder 51 befestigt ist, wird in Fig. 7 gezeigt. Da alle Schraubbolzen 15 ähnlich angeordnet sind, wird nur ein Schraubbolzen 15 in Fig. 7 gezeigt. Der in Fig. 7 gezeigte Schraubbolzen 15 besitzt einen Kopf 68, eine Unterlegscheibe 69 unter dem Kopf 68, einen O-Ring 70 unter der Unterlegscheibe 69 und einen Schaft 71, eingeschraubt in den Zylinder 51. Ein zweiter O-Ring 72 erstreckt sich ebenso um den Schaft 71 herum. Der O-Ring 70 sitzt zwischen der unteren Oberfläche der Unterlegscheibe 69 und dem abgesenkten, kegelstumpfförmigen Loch 7 3 im Anschluß 14. Der O-Ring 72 sitzt zwischen der oberen Fläche des Zylinders 51 und einem anderen abgesenkten, kegelstumpfförmigen Loch 74 des Anschlusses 14. Die Löcher 73 und 74 sind durch eine Ausbohrung 75 miteinander verbunden. Aus Fig. 6 erkennt man, daß alle darin gezeigten Elemente schwingen können, aber daß die Stärke der Schwingung, die auf den Anschluß 14 übertragen wird, ganz gering ist.

Entsprechend dem Hauptmerkmal der Erfindung wird die kompliziertere federnde Montage der Densitometersonde gemäß der Fig. 3 vermieden durch eine Konstruktion gemäß der Fig. 8.

Nach Fig. 8 weist die mit 75 bezeichnete Rohrleitung eine Hohlnabe 76 auf, in welcher die Densitometersonde 77 angeordnet ist. ^l

Die Densitometersonde 77 weist ein Gehäuse 78 mit einem oberen Masseteil 79, einem Zwischenteil 80, einem Querteil 81 und einem Hohlteil 82 auf. Das Rohr 83 mit kleinem Durchmesser überragt den Masseteil 79. Sämtliche Teile 79 bis 83 bilden miteinander ein Ganzes.

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Die Teile 22', 26", 27' und 36' können mit den Teilen 22, 26, 27 bzw. 36 der Fig. 3 identisch sein.

Die Teile 26' und 27' können Rillen 33 und 34 aufweisen, was jedoch im Interesse der Klarheit in der Fig. 7 nicht gezeigt ist. Dasselbe gilt für den Kristall, der einschließlich der elektrischen Zuleitungen mit dem Kristall 30 identisch ist. Die Sonde 77 besitzt keinen Flügel.

Wie einleitend beschrieben, bildet die Nabe 36' einen Hohlzylinder oder einen Ring, dessen oberes Ende, das mit dem Gehäusehohlteil 82 verschraubt ist, einen kleineren Durchmesser besitzt.

Das untere Ende des magnetostriktiven Rohres 83 ist in der Nabe 36' und dem Zylinder 22" verschiebbar. Das Rohr 83 steht mit dem oberen Teil der äußeren Zylinderoberfläche des Zylinders 26' wie zuvor beschrieben im Eingriff. Das untere Ende des Rohres ist nicht mit dem Zylinder 26' verbunden.

Das obere Ende des Rohres 83 ist in den Trägerkörper 84 eingepreßt, der drei senkrecht bzw. axial durch ihn verlaufende Löcher 85, 86 und 87 aufweist. Der Trägerkörper 84 besitzt ferner eine zylindrische Vertiefung 88, in die das Rohr 83 wie bereits erwähnt eingepreßt ist.

Der Zwischenteil 80 ist an seiner Außenfläche in die Hohlnabe eingeschraubt. Das Gehäuse 78 kann somit fest mit der Rohrleitung verbunden werden. Der Masseteil 79 weist einen Absatz 89 auf, der am oberen Ende der Hohlnabe 76 anliegt. In der Rille ist am oberen Ende der Hohlnabe 76 zur Erzielung einer flüssigkeitsdichten Verbindung ein 0-förmiger Ring 90 angeordnet.

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Wie zuvor wird der mit dem Spulenkörper 25 identische Spulenkörper 25" auf dem Rohr 83 durch Preßsitz befestigt. Der
Spulenkörper 25' trägt die Magnetspule 24", welche mit der
Magnetspule 24 identisch ist.

Im Trägerkörper 84 sind für die Spulenzuleitungsdrähte die
Löcher 85 und 87 vorgesehen. Das Loch 36 im Trägerkörper 84
fluchtet mit dem Loch durch das Rohr 83, so daß ein Weg zur
Hindurchführung der Kristallzuleitungsdrähte geschaffen wird.

Obwohl es unkritisch ist, welche speziellen Materialarten für den Trägerkörper 84, das Gehäuse 78 und das Rohr 83 verwendet werden, wird vorzugsweise das Rohr 83 aus "Ni Span C" hergestellt, welches aus 42 % Ni, 5,5 % Cr, 2,5 % Ti und 50 % besteht und normalerweise eine Dichte zwischen 80 und 8O,55 g/cm aufweist. Das Gehäuse 78 und der Trägerkörper 84 werden aus
magnetischem Material gefertigt wie rostfreiem Stahl "416 stain less steel" - Zusammensetzung: 86 % Fe, 12-14 % Cr, 0,15 % C, 0,15 % sitzt.

0,15 % Se plus Spuren -, der eine Dichte von etwa 77 g/cm be-

Der Oberteil 79 des Gehäuses ist innen und außen mit Gewinden versehen. Das obere Ende des Trägerkörpers 84 ist bei 94 in das Teil 79 eingeschraubt. Der Trägerkörper 84 wird durch eine Klemmmutter 92 in fester Lage zum Gehäuse 78 gehalten.

Der Differenzverstärker 61' wird am Trägerkörper 84 befestigt und mag mit dem schematisch in Fig. 3 gezeigten Differenzverstärker 61 identisch sein. Die Abschlußkappe 93 wird mit Hilfe des Innengewindes 94 auf den Masseteil 78 aufgeschraubt. An der Abschlußkappe 93 wird mittels Schrauben 96 ein herkömmlicher elektrischer Anschlußteil 95 befestigt. Es ist somit kein elastischer Aufbau für den Anschlußteil 95 erforderlich, wie es für den elektrischen Anschluß 14 gemäß Fig. 3 und 7 der Fall ist.

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Bevor die Abschlußkappe 93 mit dem Gehäuse 78 vereinigt und bevor die Kiemmutter auf das obere Ende des Trägerkörpers geschraubt wird, wird bei der Teilanordnung der Anordnung gemäß der Fig. 8 der Trägerkörper 84 von Hand, beispielsweise mit den Fingern, gedreht, bis das Rohr 83 mit mäßigem Druck gegen den Zylinder 26' anliegt. Dann wird die Kiemmutter 92 gegen das obere Ende des Masseteils 79 gedreht, und die Abschlußkappe 93 wird daraufgeschraubt.

In Fig. 8 ist der schwingende Zylinder 26' nicht zwangsläufig der einzige schwingende Bauteil der Sonde.

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Claims

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBÜRG I. BR.

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Patentansprüche

Schwingungsdensitometer, gekennzeichnet durch einen elektromechanischen Oszillator mit einer Sonde und einer Rückkopplungsschleifenschaltung, an der ein Funktionsgenerator angeschlossen ist» eine Auswertvorrichtung, die sich an den Funktionsgenerator anschließt, innere und äußere konzentrische Zylinder, wobei der äußere Zylinder ein radial hindurchführendes Lach aufweist, einen Schaft, der in diesem Loch verschiebbar ist und im Eingriff mit dem inneren Zylinder steht, eine Vorrichtung, die den Schaft in Richtung seiner Achse in Schwingung bringt unter Erzeugung einer Schwingung des inneren Zylinders.

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ORIGINAL INSPECTED

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2. Schwingungsdensitometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertvorrichtung ein dichtegeeichtes Anzeigegerät ist.

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