DE3037413A1

DE3037413A1 - Vorrichtung zur messung der dichte eines fluides

Info

Publication number: DE3037413A1
Application number: DE19803037413
Authority: DE
Inventors: Richard J. St. Louis Park Minn. Borken
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-10-04
Filing date: 1980-10-03
Publication date: 1981-04-16
Also published as: IT8049816A0; IT1128697B; JPS5660336A; GB2059577A; GB2059577B; US4277681A; JPH0220159U

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluides nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Vorrichtungen zur Messung der Dichte von Materialien und insbesondere von Fluiden in Behältern sind zahlreich im Stand der Technik bekannt. Viele derartige Messanordnungen arbeiten mechanisch und erfordern die Messung der Lage oder der auf einen schwimmenden Auftriebskörper einwirkenden Kraft. Andere Arten von Meßvorrichtungen machen von der Bestimmung der Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Materials oder von der Bestimmung des Material-3rechungsindex Gebrauch. Weitere bekannte Meßvorrichtungen ermitteln die Dichte des Fluides über die Dämpfung der von einer Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung, was den Vorteil aufweist, daß keine beweglichen Teile benutzt werden müssen. Die durch das Material verursachte Dämpfung der Strahlung ist hierbei ein Maß für die Dichte. Bezüglich des Standes der Technik sei in diesem Zusammenhang auf die US-Patentschriften 2 316 239, 2 763 790, 2 898 466, 2 968 729, 2 922 8S8 und 3 196 271 verwiesen. Bei diesen bekannten Meßanordnungen vom Strahlungstyp ergaben sich in der Vergangenheit verschiedene Schwierigkeiten. So wird beispielsweise die Messung verfälscht, wenn sich die Intensität der Strahlungsquelle vermindert oder wenn sich Rückstände auf den Detektoren ablagern, da ein Detektor nicht unterscheiden kann, ob sein vermindertes Empfangssignal auf diese Umstände oder auf eine erhöhte Dämpfung des zu messenden Materiales zurückzuführen ist. Bei der Lösung dieses Problemes ist man auf die Anordnung von zwei Detektorsystemen gekommen, wobei ein erster Strahlungsdetektor und die Strahlungsquelle im Hinblick auf das unbekannte Material angeordnet werden und wobei ein zweiter Strahlungsdetektor zwischen sich und der Quelle ein Referenzmaterial aufweist, so daß durch Subtraktion der Ausgangssignale der beiden Detektoren der fehlerhafte Einfluß einer verminderten Strahlungsleistung eliminiert wird. Eine Schwierigkeit bei einem solchen System besteht weiterhin dadurch, daß schwankende Leistungen der Detektoren nicht durch das Subtraktionsverfahren kompensiert werden. Ferner stellt die Anordnung von Referenzmaterial einen zusätzlichen Aufwand dar, der sich in manchen Anwendungsfällen aus Platz- und Gewichtsgründen verbietet. Einige bekannte Meßsysteme

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verwenden Detektoren auf der Außenseite von Behältern, in denen, sich das zu messende Material befindet, wobei sich hierbei Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß die Absorptionscharakteristik des Containers selbst kompensiert werden muß. Die Verwendung von Referenzmaterial und die Subtrahierung der Detektorsignale kompensiert zwar Fehler hinsichtlich einer verminderten Strahlungsleistung der Quelle; sie kompensiert aber keine Fehler, die beiden Detektor-Meßzweigen gemeinsam sind.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Messung der Dichte eines Fluides ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Meßvorrichtung so zu verbessern, daß alle möglichen Fehler kompensiert werden. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung .benutzt eine sehr saubere Strahlungsquelle, wie sie beispielsweise bei Ionisations-Feuermeldern zur Anwendung gelangt. Hierbei werden zwei in dem Fluid angeordnete Detektoren verwendet, die im Wege der von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlung angeordnet sind. Sowohl die Strahlungsquelle als auch die Detektoren befinden sich hierbei in dem Fluid, dessen Dichte zu messen ist. Durch eine derartige Anordnung entfällt eine Kompensation bezüglich der Behälterwände. Die zwei Detektoren sind in dem Fluid in unterschiedlichen Abständen von der Strahlungsquelle angeordnet, so daß beide Detektoren Strahlung von der gleichen Strahlungsquelle zugeführt erhalten. Eine Ablagerung von Rückständen auf der Quelle bzw. den Detektoren führt somit zu keiner Verfälschung des Meßergebnisses. Durch die Anordnung der Detektoren in unterschiedlichen Entfernungen von der Quelle wird die Ablagerung von Rückständen durch beide Detektoren erfaßt; die Auswirkung derartiger Ablagerungen kann jedoch aus den Meßgleichungen eliminiert werden, da beide Detektoren die Strahlen mit unterschiedlicher Dämpfung empfangen. Bezüglich der Ausgangssignale der beiden Detektoren wird anstelle einer Sub-

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traktion eine Verhältnisbildung durchgeführt, wodurch das Problem verringert wird, das sich normalerweise durch unterschiedliche Detektorleistungen ergibt. Die erfindungsgemäße Meßanordnung erfordert daher nicht so oft eine Neukalibrierung wie die bekannten Systeme.

Anhand der einzigen Figur der beiliegenden Zeichnung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Gemäß dieser Figur ist mit der Bezugsziffer 10 ein Fluid bezeichnet, das beispielsweise durch den Düsenkraftstoff eines Flugzeuges vorgegeben ist. Dieses Fluid 10 befindet sich in einem Behälter 12, der wiederum durch den Treibstofftank eines Flugzeuges vorgegeben sein kann. Eine Strahlungsquelle 14 ist in dem Fluid innerhalb des Behälters angeordnet und erzeugt eine Strahlung in Richtung eines Pfeiles 16. Die Strahlungsquelle ist vorzugsweise durch Americium 241 vorgegeben. Die charakteristische Strahlungsenergie von 60 keV von Americium 241 ist anderen Strahlungsenergien vorzuziehen, die andere bei der Fluid-Dichtemessung verwendete radioaktive Isotopen aufweisen. Die Dämpfungseigenschaften von Düsentreibstoff bei einer Verwendung einer Strahlungsenergie von 60 keV führen zu vernünftigen Abmessungen der Meßanordnung. Der der Dämpfungsmessung anhaftende Fehler auf Grund von Verunreinigungen in dem Brennstoff, wie sie in der Hauptsache durch Schwefel gegeben sind, können auf einem annehmbaren Minimalwert gehalten werden. Die Strahlungsquelle von Americium 241 kann ebenfalls so ausgestaltet werden, daß sie eine monoenergetische 60 keV-Strahlung abgibt, wobei diese Strahlung eine geeignete Ergiebigkeit und eine lange Halbwertzeit aufweist. Die Technologie der Herstellung von sicheren, zuverlässigen und billigen Strahlungsquellen aus Americium 241 ist weit entwickelt. Americium 241 emittiert keine hochenergetische Gammastrahlung und auch keine andere hochenergetische Strahlung, so daß ein diese Strahlungsquelle aufweisendes Gerät in einfacher Weise gebaut werden kann und dabei außerhalb des Gerätes im wesentlichen keine Strahlung auftritt.

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Ein erster Strahlungsdetektor 20 ist in dem Fluid 10 des Behälters 12 in einer Entfernung X.. von der Strahlungsquelle 14 angeordnet, wobei er sich im Bereich der durch den Pfeil 16 angedeuteten Strahlung befindet. Der Detektor 20 nimmt die von der Strahlungsquelle 14 ausgehende Strahlung auf und erzeugt Ladungs-Impulssignale mit einer der empfangenen Strahlung zugeordneten Frequenz. Diese Impulssignale werden auf einer Leitung 22 aus dem Behälter 12 zu einem Schaltungspunkt 24 herausgeführt. Ein zweiter Strahlungsdetektor 26 ist in dem Fluid 10 im Behälter 12 in einem Abstand X₂ von der Strahlungsquelle 14 angeordnet, wobei er sich ebenfalls im Bereich der durch den Pfeil 16 angedeuteten Strahlung befindet. Der Detektor 2G erzeugt ebenfalls Ladungs-Impulssignale mit einer der aufgenommenen Strahlung entsprechenden Frequenz, wobei diese Impulssignale auf einer Leitung 28 durch die Wand des Behälters 12 zu einem Schaltungspunkt 30 geführt werden. Die Detektoren 20 und 26 sind vorzugsweise Proportionalzähler, obgleich auch andere Detektoren zur Anwendung gelangen können. Die Schaltungspunkte 24 und 30 sind über Widerstände 32 und 34 an eine Hochspannungsquelle 36 angeschlossen, die der Erregung der Detektoren 20 und 26 dient. Die Widerstände 32 und 34 dienen der Trennung der Ausgangssignale der beiden Detektoren. Der Schaltungspunkt 24 ist über eine Leitung 40 an die eine Belegung eines Kondensators 42 angeschlossen, wobei dessen andere Belegung mit einem Ladungsverstärker 44 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist über eine Leitung 46 mit einem Impulszähler 48 verbunden. Der Verbindungspunkt 30 ist über eine Leitung 50 an die eine Belegung eines Kondensators 52 angeschlossen, wobei dessen andere Belegung mit einem Ladungsverstärker 54 verbunden ist. Die Kondensatoren 42 und 52 sind Blockierkondensatoren, die die Verstärker 44 und 54 von der Hochspannung auf den Leitungen 22 und 28 trennen. Der Ausgang des Verstärkers 54 ist über eine Leitung 56 an einen zweiten Impulszähler 58 angeschlossen. Das Ausgangssignal I- des Zählers 48 tritt auf einer Leitung 60 auf, während das Ausgangssignal I- des Zählers 58 auf einer Leitung 62 auftritt. Die Leitungen 60 und 62 werden einem verhältnisbildendem Schaltkreis 64 zugeführt, der auf einer Ausgangs-

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leitung 66 das Verhältnis 1../I- ausgibt. Dieses Verhältnis wird einem Rechner 68 zugeführt, der die Dichte des Fluides nach der weiter unten angegebenen Gleichung (7) ermittelt. Der Rechner ermittelt das Meßsignal nach einer bestimmten Zeitperiode, die beispielsweise durch ein Taktsignal innerhalb des Rechners 68 vorgegeben ist. Das die Dichte vorgebende Signal wird auf einer Leitung 69 einer Anzeigeeinrichtung 70 oder alternativ einem Brennstoffmeßsystem zugeführt, welches das Dichtesignal zusammen mit einem Signal für das Treibstoffvolumen benutzt, um beispielsweise dem Piloten eine Treibstoff-Mengenanzeige zu geben.

Beim Betrieb der Meßvorrichtung empfangen die Detektoren 20 und 26 Strahlung von der Quelle 14 in Beträgen, die von der Stärke der Quelle 14, dem Abstand der Detektoren von der Quelle, dem Betrag der abgelagerten Rückstände und von der Dämpfungscharakteristik des Fluides 10 abhängen, wobei .die Dämpfungscharakteristik eine Funktion der Dichte ist. Die an den Punkten 24 und 30 auftretenden Signale hängen daher von diesen Variablen und von der Leistung der Detektoren 20 und 26 ab. Diese Signale werden über die Kondensatoren 42 und 52 den Verstärkern 44 und 54 zugeführt, die außer Schaltkreisen zur Verstärkung ebenfalls Schwellwertschaltkreise enthalten können, um Hintergrundrauschen zu unterdrücken. Die Zähler 48 und 58 erzeugen aus den verstärkten Signalen Zählstandssignale I₁ und I-t deren Größe von dem Betrag der durch die Detektoren 20 und 26 empfangenen Strahlung abhängt. Das Zählstandssignal I₁ stellt sich folgendermaßen dar:

I₁ = I₀ Bexp (-KX₁) (1)

wobei I₁ dem gemessenen Zählstand auf der Leitung 60, I_Q einem gemessenen Zählstand bei nicht vorhandenem Material 10 im Strahlenweg, B einem auf die Rückstandsbildung bezogenen Übertragungsfaktor, K dem linearen Dämpfungskoeffizienten und X₁ dem Abstand zwischen der Quelle 14 und dem Detektor 20 in Fig. 1 entspricht. Das Zählstandssignal I₂ stellt sich folgendermaßen dar:

I₂ = I₀ Bexp (-KX₂) (2)

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wobei I_ dem gemessenen Zählstand auf der Leitung 62, I dem

gemessenen Zählstand bei nicht vorhandenem Material 10 ±_m Strahlenweg und X- dem Abstand zwischen der Strahlenquelle 14 und dem Detektor 26 in Fig. 1 entspricht.

Der lineare Dämpfungskoeffizient K steht in Beziehung zu der Dichte des Fluides 10 und kann durch folgenden Ausdruck angegeben werden:

K = μ§ (3)

wobei μ dem Massendämpfungskoeffizienten und § der Dichte des Fluides 10 entspricht.

Bildet man das Verhältnis der Zählstandssignale gemäß den Gleichungen (1) und (2) so ergibt sich folgender Ausdruck:

I₀ Bexp (-KX₁)

wobei Δ X der Differenz zwischen beiden Detektorabständen in Fig. 1 entspricht. Es sei darauf verwiesen, daß der Übertragungsfaktor B, der von der Rückstandsbildung herrührt, durch die Verhältnisbildung in der Gleichung (4) entfallen ist. Es hat sich ferner herausgestellt, daß bei einer Veränderung der Detektorleistung, beispielsweise auf Grund von Veränderungen der umgebungsbedingungen oder der Hochspannungsquelle, diese Änderungen proportional erfolgen, so daß bei Verwendung von
proportional arbeitenden Detektoren durch die Verhältnisbildung das Verhältnis konstant bleibt. Die Gleichung (4)
kann in folgender Weise umgeschrieben werden:

¹I
log_e γ¹ = -ΚΔΧ + log =-!■ (5)

^{e 1}2 ^{e 1}O₂

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Durch Einsetzen der Gleichung (3) in die Gleichung (5) erhält man folgendes Ergebnis:

log yi = -μΡΔΧ + log =—!- (6)

e I₂ s e I₀^

welches in folgender Weise umgeschrieben werden kann:

¹^ - ^Ioi

Wie aus Gleichung (7) ersichtlich, kann die Dichte des Pluides 10 bestimmt werden, indem das Verhältnis I₁/! gemessen wird, da AX eine feste Größe darstellt und log I_n /I_ konstant ist.

-e U₁ U₂

Die Größe μ, die auf Grund von in dem Treibstoff vorliegenden Spuren von Schwefel etwas veränderbar sein kann, variiert nicht stark genug, um die Dichtemessung.um mehr als ίθ,2% zu verfälschen.

In Fig. 1 bildet die Einrichtung 64 das Verhältnis I₁/I~, so daß das auf der Leitung 66 auftretende Signal proportional zu diesem Verhältnis ist. Die Recheneinrichtung 68 verarbeitet den Verhältniswert I./I-, um auf der Ausgangsleitung 69 den Wert ξ> gemäß der Gleichung (7) auszugeben. Dieses Ausgangssignal wird der Anzeigeeinrichtung 70 bzw. dem Treibstoff-Meßsystem des Flugzeuges zugeführt, um die gewünschte Anzeige zu erhalten.

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Claims

HONEYWELL INC. 1. Oktober 1980 Honeywell Plaza 1007954 Ge Minneapolis, Minn., USA Hz/de Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluides. Patentansprüche:

1./Vorrichtung zur Messung der Dichte einec Fluides durch Ermittlung der Dämpfung einer das Fluid durchsetzenden Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (14) und zwei Detektoren (20,26) in unterschiedlichem Abstand (X' _fX₂) von der Strahlungsquelle in dem zu inessenden Fluid angeordnet sind und daß eine das Verhältnis der Ausgangssic.nale der beiden Detektoren bildende Schaltungsanordnung (64) angeordnet ist, die ein der Dichte des Fluides proportionales Verhältnissignal erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (68) , der das Verhältnissignal zugeführt wird und die ein die Dichte des Fluides anzeigendes resultierendes Signal (69) erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichfn e.*vt , daß das resultierende Signal einerAnzeigeeinrichtung (70) zugeführt wird.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k.ennzeichnet, daß als Strahlungsquelle (14) eine Quelle von Americium 241 dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektoren (20,26) Proportionalzähler verwendet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Detektoren (20,26) Ausgangssignale I₁ und I- gemäß folgenden Gleichungen bilden:

1₁ = I₀ Bexp (-KX₁) und

1₂ = I₀ Bexp (-KX₂),

wobei I_n und I_n den Signalwerten bei nicht vorhandenem

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Fluid entsprechen, B einem Ablagerungswert auf der Strahlungsquelle und den Detektoren entspricht, K einen linearen Dämpfungsfaktor vorgibt, der mit der Dichte des Fluides variiert, und X₁ und X- dem Abstand der Detektoren von der Strahlungsquelle entsprechen, und daß die verhältnisbildende Schaltungsanordnung (64) das Verhältnissignal gemäß folgender Gleichung bildet:

~⁼ —- exp (-KÄX)

wobei A X der Differenz zwischen den Abständen X₁ und X₂ entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (68) das resultierende Signal gemäß folgender Gleichung bildet:

¹I . 1 , ^r°i

ι
^U2

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wobei § die Fluiddichte darstellt und μ dem Massendämpfungskoeffizienten des Fluids entspricht.

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