DE2841513A1 - Schwingungsdensitometer - Google Patents

Description

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Schwingungsdensitometer

Die Priorität der Anmeldung Nr. 837 454 vom 28. September 1977 in den Vereinigten Staaten wird beansprucht. Die Erfindung betrifft ein äußerst wirkungsvolles Schwingungsdensitometer. Ein wirkungsvoller Antrieb für ein Schwingungsdensitometer ist nur schwierig zu ermitteln.

In der Patentanmeldung P 23 19 001.4 ist eine Schleifenschaltung beschrieben, die jedoch unglücklicherweise eine Kondensator-Kristall-Verbindung enthält, die überflüssig ist und keine Differenzierschaltung ergibt.

Die Patentanmeldung P 24 57 279 zeigt eine Reihe von Strukturen, die auch in der vorliegenden Anmeldung zu finden sind, es fehlen jedoch dort der wirkungsvolle Antrieb und die Signalrückgewinnung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines äußerst wirkungsvollen Schwingungsdensitometers. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin stellen dar:

Fig. 1 das Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Densitometers,

Fig. 2 einrLängsschnitt durch die Densitometersonde,

Fig. 3 einf-^uer schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 das Blockdiagramm einer Schleifenschaltung aus

Fig. 1 , . _

Fig. 5 das Diagramm der Eingangsschaltung nach Fig. 4,

Fig. 6 das Diagramm der Phasenregelschleife nach Fig. 4,

Fig. 7 das Diagramm der Ausgangsschaltung nach Fig. 4 und

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Fig. 8 eine Reihe von Kurven, die für den Betrieb des Densitometers charakteristisch sind.

Fig. 1 zeigt die Schwingungsdensitometersonde 34' mit der Antriebsspule 23, dem Flügel 24 und den piezoelektrischen Kristall

Die Sonde 34 weist die Eingangsleitung 27 und die Ausgangsleitung auf.

In Fig. 1 werden ferner die Schleifenschaltung 29, der digitale Funktionsgenerator 30 und die Anzeigevorrichtung 31 gezeigt. Die Schleifenschaltung 29 besitzt den Eingang 32 und die Ausgänge 33 und 34. Der digitale Funktionsgenerator 30 ist über die Eingangsleitung 35 mit dem Ausgang 34 der Schleifenschaltung verbunden. Sein Ausgang wiederum führt zur Anzeigevorrichtung 31.

Vom Ausgang 28 der Sonde 34' führt eine Verbindung zum Eingang 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. Theoretische Überlegungen hierzu sind in den Patentanmeldungen P 24 57 279 und P26 36 715 zu finden.

Der digitale Funktionsgenerator 30 besitzt den Eingang 35, der mit dem Ausgang 33 oder anderen Punkten der Schleifenschaltung 29 verbunden ist. Letzter drückt eine Rechteckspannung dem Eingang 35 des digitalen Funktionsgenerators 30 auf.

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 Paimtanmeldungen

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Bezug	P	genommen:	41	397
1.	P	21	11	276
2.	P	22	11	334
3.	P	22	15	568
4.	P	22	57	279
5.	24

6. P 26 36 715

Die Sonde 34 in Fig. 1 entspricht der herkömmlichen Bauweise bis auf die nachstehend erwähnten Ausnahmen und dem fehlenden Vorverstärker zwischen dem Kristall 25 und der SchleifensGhaltung 29. Sie kann z.B. ähnlich den in den oben angeführten Patenten gezeigten und/oder beschriebenen Sonden sein.

In der Ausbildungsform nach Fig. 1 bilden die Sonde 34¹UiU die Schleifenschaltung 29 einen elektromechanischen Oszillator, der bei einer Frequenz ',schwingt, die von der Dichte der Fließstoffes abhängt, in denen der Flügel 24 eingetaucht ist. Das gleiche gilt für die Pulsfrequenz der Rechteckwellenspannung, die an dem Eingang 35 des digitalen Funktionsgenerators 30 anliegt.

Der digitale Funktionsgenerator 30 kann als Digitallinearisierungsschaltung bezeichnet werden. Er erzeugt ein digitales Ausgangssignal, das der Dichte aus dem Eingangssignal direkt proportional ist, das dem Eingang 35 aufgepresst wird.

Die Einbauweise der Sonde 34' aus Fig. 2 in einer Rohrleitung ist in der Patentanmeldung P 26 36 715 beschrieben.

Ein senkrechter Schnitt durch die Sonde 34' wird in Fig. 2 gezeigt, wo das Bauteil 76 den Nippel 84 aufweist, der in einen zylindrischen Ansatz 85 der Verschlußkappe 86 eingeschraubt ist. Diese wiederum ist in den Körper 87 eingeschraubt.

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Der Flansch 75,die Verschlußkappe 86 und der Körper 87 sind bei 88 verschweißt oder hart-verlötet. Der Schaft 89 ist in den Zylinder 90 eingeschraubt, der bis auf die Bohrung 91 kompakt ist, wobei diese sich vollständig durch den Zylinder erstreckt und mit dem hohlen Innenraum 92 des Schaftes 89 in Verbindung steht. Der Körper 87 ist bei 93 an dem Flansch 75 angeschweißt und besitzt einen dünnen Steg 94, der einen nach oben gerichteten zylindrischen Ansatz 95 aufweist, der bei 96 an denjSchaft 89 und dem Zylinder 90 angeschweißt ist. Der Körper 87 besitzt ein Zapfenloch 97, so daß er beim Aufschrauben der Verschlußkappe fixiert werden kann. '

Der Schaft 89 ist wiederum auf den Eiseriring 98 aufgeschraubt, der seinerseits an dem Körper 99 angeschraubt ist.

Der Ring 100 ist in den Körper 99 eingeschraubt. Eine an beiden Enden offene magnetostriktive Röhre 101 ist im Loch 200 des Zylinders 110 verschiebbar und sitzt fest auf dem Weicheisenstopfen 202, der wiederum an dem Körper 101 fest ansitzt. Der Dauermagnet 203 ist an dem Körper 102 fixiert, der Bohrungen und 105 besitzt. Siehe hierzu auch die Patentanmeldung P 26 36 Die Antriebsspule 23 in Fig. 2 ist auf der dielektrischen Spule 107, die auf dem Rohr 101 aufgeschoben ist. Der Eisenring 108 ist bei 109 an dem Zylinder 110 verschweißt. Der Körper 99 ist in den Eisenring 108 eingeschraubt und bei 111 verschweißt. Röhr - 101 drückt gegen die äußere Zylinderoberfläche des Zylinders 112. Der Flügel 24 ist in dem Zylinder 110 in einer Weise fixiert, wie sie bereits in der Patentanmeldung P 21 41 beschrieben wird. Das gleiche gilt für den Kristall 25.

Die Zylinder 110 und 112, der Flügel 24 und der Kristall 25 können ggf. mit den entsprechenden Teilen der letztgenannten Patentanmeldung identisch sein. Das Rohr 101 ist in dem unteren Ende des Körpers 99 und in dem besagten kreisförmigen Loch

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in dem Eisenring 108 und im Zylinder 110 verschiebbar.

Die Bezugsziffer 204 bedeutet eine ferromagnetische Unterlegscheibe, 205 einen ferromagnetischen Zylinder. Eine ins einzelne gehende Erläuterung der Operation eines Schwingungsdensitometers mit der hierin beschriebenen Struktur ist in den genannten Patenten zu finden.

Der Magnet 203 ist so konstruiert, daß der Flügel 24 bei der Ausgangsfrequenz des Kristalls 25 zum Schwingen angeregt wird. Die Ausgangsleitung 33 in Fig. 1 kann Gleichspannungs- oder Wechselspannungssignale übertragen oder auch nicht.

Der Magnet 203 kann in der gezeigten Richtung oder umgekehrt gepolt sein.

Bis auf die Schleifenschaltung 29 und den weggelassenen Vorverstärker kann das Schaubild nach Fig. 1 den Schaubildern in den genannten Anmeldungen gleichen. Die Schleifenschaltung 29 ist neu.

Fig. 4 zeigt die Schleifenschaltung mit der Eingangsschaltung 302, der Phasenregelschleife 301 und der Ausgangsschaltung 300, die in dieser Reihenfolge zwischen dem Ausgang 28 und dem Eingang liegen.

Die eine Seite des Kristalls 25 ist mit den nichtinvertierenden Eingängen der drei Differenzverstärker 403, 404 und 405 (siehe Fig. 5 und 7) verbunden.

Die andere Seite des Kristalls 25 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 403 verbunden. Dieser besitzt einen rückgekoppelten Widerstand R5, der aus der Schaltung eine Differenzierschaltung macht, da der Kristall 25 einem Wandler

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einen Kondensator, die in Reihe geschaltet sind, gleichzusetzen ist. Der Strom in Spule 23 (Fig. 1 und 7) ist somit gegenüber der Spannung um 90° phasenverschoben, so daß eine maximale

- Antriebswirksamkeit erreicht wird.

In Fig. 5 liegt ein Spannungsregler 406 zwischen dem Potential

V und der Masse.
c

Die Kondensatoren C1 und C2 sind zwischen V und der Masse

hintereinander geschaltet. Das gleiche gilt für die Widerstände R3 und R4. Die Bezugszeichen 407, 408, 409 und 410 stellen Verbindungspunkte dar.

Der Kondensator C3 liegt zum Widerstand R5 parallel und gibt eine ziemlich flache Verstärkung über das entsprechende Frequenzband .

Ohne wesentliche Veränderung der Phase des Ausgangsignal '■ des Verstärkers 403 bilden der Widerstand R6, der Kondensator C4 und der Verstärker 404 eine herkömmliche Integrierschaltung, um hohe Frequenzen außerhalb des interessierenden Bandes zu unterdrücken.

Die Phasenregelschleife 301 nach Fig. 6 enthält den Phasendetektor 411 mit den Eingängen 412 und 413. Beachte die Verbindung der Leitung 412 in Fig.5.

Der spannungsgeregelte Oszillator 414 besitzt den Eingang 415 und den Ausgang 416 zum Eingang 413 des Phasendetektors.

Die Bezugszeichen 417 und 418 stellen herkömmliche CMOS-FeIdeffekttransistoren mit isolierter Gate-ELektrode vom p-Leitungstyp und n-Leitungstyp dar. Der Verbindungspunkt 419 liegt am Schaltungsnullpunkt oder an der Spannung V , oder es besteht eine offene Verbindung vom Verbindungspunkt 419 zum Widerstand 420. _Λ«_ΛΛΛ ,

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Liegt der Verbindungspunkt 419 an V , so wird der Kondensator 420 auf die Höhe der Abgleichspannung aufgeladen und der spannungsgesteuerte Oszillator 414 gleicht das Eingangssignal in der Leitung 412 ab. Sollte der Flügel 420 einen Stoß bekommen, so wird der Kondensator 421 weiterhin aufgeladen bis der Unijunction-Transistor 422 zündet. Der Kondensator 421 wird dann entladen und beginnt mit der Aufladung auf die Abgleichspannung.

Die Zuleitung 423 in Fig. 7 kommt vom Ausgang 416 des spannungsgesteuerten Oszillators (Fig. 6). Der Kondensator C9 liegt zwischen der Zuleitung 423 und der Maske. Die Transistoren und 425 liegen zwischen der Zuleitung 423 und dem Verbindungspunkt 426. Der Widerstand R10, der Transistor Q5_f der Widerstand R13 und die Diode D1 bilden einen Verstärker mit gleich gerichtetem Ausgangssignal.

Der Widerstand R11 liegt zwischen dem Verbindungspunkt 426 und dem invertierenden Eingang des Verstärkers 405. Der nichtinvertierende Eingang ist mit der Eingangsschaltung 302 verbunden .

Die Transistoren 427 und 428 liegen zwischen dem Ausgang des Verstärkers 405 und dem Verhindungspunkt 429, Die Bezugs^· zeichen 430 und 431 stellen Verbindungspunkte dar. Der Ausgang des Verstärkers 405 führt zum Verbindungspunkt 430. Der Kondensator C11 liegt zwischen den Verbindungspunkten 430 und 431. Die Spule 23 und der Kondensator C10 liegen parallel vom Verbindungspunkt 429 zum invertierenden Eingang des Verstärkers 405.

Die Kurve 432 in Fig. 8 zeigt die Schwingung des Flügels 24. Der Stromfluß in der Spule 23 oder die Grundschwingung einer beliebigen Rechteckwelle oder ein anderer periodischer Strom

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wird durch die Kurve 433 verkörpert, die gegenüber 432 um 90° phasenverschoben ist. Die Äusgangsspannung des Kristalls 25 kann 432 oder 434 sein. Der Strom in der Spule 25 sollte um 90° phasenverschoben sein gegenüber 432 oder 434, um die optimale Wirksamkeit zu erzielen.

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Leerseite

Claims (6)

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG FREIBURG I.BR. P.Z.Kalotay - I.Ghahramani 5-1 . Patentansprüche

1.)Schwingungsdensitometer, gekennzeichnet durch eine Sonde mit ^ Schwingteil, einer elektrischen Vorrichtung, die das Schwingteil zum Schwingen bringt, einen Aufnehmer, der synchron zu der Schwingung des Schwingteils ein erstes Signal erzeugt, einen elektromechanischen Oszillator, gebildet aus einer Schleifenschaltung zwischen dem Aufnehmer und der elektrischen Vorrichtung, wobei die Schleifenschaltung ein Ausgangssignal einer solchen Phase erzeugt, daß beim Aufpressen auf die elektrische Vorrichtung diese daraufhin ein Signal an das Schwingteil gibt, das gegenüber dem des Schwingteils um

Dr. Rl/bk

20. September 1978

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90° phasenverschoben ist, und eine Vorrichtung, angeschlossen an die Schleifenschaltung, die einAnzeigesignal erzeugt, das eine bekannte Funktion der Dichte des Fließstoffes darstellt, in den das Schwingteil eingetaucht ist.

2. Schwingungsdensitometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Vorrichtung einen magnetostriktiven Treiber enthält, wobei das erste Signal eine Wechselspannung und das Ausgangssignal ein Wechselstrom zum magnetostriktiven Treiber ist.

3. Schwingungsdensitometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingteil einen Flügel enthält.

4. Schwingungsdensitometer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer einen piezoelektrischen Kristall enthält.

5. Schwingungsdensitometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifenschaltung einen Verstärker mit einem Eingang aufweist und der Aufnehmer einen piezoelektrischen Kristall besitzt, der direkt an den Eingang des Verstärkers angeschlossen ist.

6. Schwingungsdensitometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Differenzierglied beinhaltet.

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