DE3338311C2

DE3338311C2 - Dichtemesser

Info

Publication number: DE3338311C2
Application number: DE19833338311
Authority: DE
Inventors: Erwin 7815 Kirchzarten Halstrup
Original assignee: Individual
Current assignee: Walcher Messtechnik 7815 Kirchzarten De GmbH
Priority date: 1983-10-21
Filing date: 1983-10-21
Publication date: 1985-11-14
Also published as: DE3338311A1

Abstract

Ein Dichtemesser (1) (Fig. 1), insbesondere für Flüssigkeiten, ggf. für Gase, weist einen Aufnahmebehälter (3) für das zu messende Medium und einen darin eintauchbaren, einer Auftriebskraft ausgesetzten Körper (4) auf. Zusätzlich zu dieser Auftriebskraft wird der Körper (4) einer magnetisch erzeugten und übertragenen Zusatzkraft ausgesetzt, die den Körper (4) zusammen mit seiner Auftriebskraft zum Schweben innerhalb des Meßmediums bringt. Diese erforderliche Zusatzkraft wird durch eine Meßeinrichtung (5) mit einem Wegaufnehmer (9) erfaßt und über eine Elektronik (10) ausgewertet. Die erforderliche Zusatzkraft ist ein Maß für die Dichte des Meßmediums (2). Um den Körper (4), insbesondere zur Vermeidung von Haftreibung, vor dem Meßvorgang zu bewegen, können entsprechende Vorrichtungen in verschiedenen Ausführungsformen vorgesehen sein. Im Ausführungsbeispiel ist neben einer hydrodynamischen Bewegung und Zentrierung des Körpers durch entsprechende Umströmung auch noch eine Ringspule (29) vorgesehen, mittels der bei Erregung über den Magneten (6) der Körper (4) bewegt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtemesser für Flüssigkeiten, gegebenenfalls für Gase, mit einem Aufnahmebehälter für das zu messende Medium sowie einem darin einer Auftriebskraft ausgesetztem Tauchkörper, der mittels einer Magnetanordnung in der Schwebe gehalten ist, die zwei gleichpolig zueinander weisende Magnete aufweist von denen mindestens der eine im Tauchkörper untergebrachte ein Permanentmagnet ist und mit einer Meßeinrichtung, die auf Lageveränderungen des Tauchkörpers anspricht

Es ist bereits aus der GB-PS 13 07 530 ein Dichtemesser bekannt, bei dem über eine Magnetanordnung ein in der zu messenden Rüssigkeit eingetauchter Körper in dieser Flüssigkeit in der Schwebe gehalten wird. Als Maß für die Dichte der Meßflüssigkeit stellt sich eine entsprechende Schwebehöhe des Körpers ein. Diese Schwebehöhe wird mit längs des Meßweges angeordneten Schaltelementen gemessen. Da diese nur in einem endlichen Abstand zueinander angeordnet sein können, ergibt sich dementsprechend auch nur eine vergleichsweise geringe Auflösung. Einer hohen Meßgenauigkeit steht weiterhin entgegen, daß verschiebbare Magnete der Magnetanordnung bzw. ein Aufnahmekörper dafür reibungsbehaftet in einem rohrförmigen Aufnahmebehälter geführt sind. Da hierbei die Schwebehöhe ein Maß für die Dichte der Meßilüssigkeit ist, machen sich diese Schebehöhe beeinflussende Störgrößen auch direkt beim Meßergebnis als Fehler bemerkbar. Eine Störgröße ist dabei durch die Alterung der zusammenwirkenden Magnete mit allmählichem Nachlassen der Magnetkraft gegeben. Auch Temperatureinflüsse auf die Magnete ändern die Schwebehöhe. Nachteilig ist weiterhin, daß bei Magneten erhebliche Toleranzen auftreten können, so daß in der Regel eine Einzelabstimmung jedes Systemis erforderlich ist, um einen definierte ten »Nullpunkt« zu erhalten.

Weiterhin sind durch die FR-Patentanmeldung 24 57 485 und die US-PS 44 00 978 Dichtemesser bekannt, bei denen über eine Spule ein Köper über eine elektromagnetische Kupplung mit einer Zusatzkraft beaufschlagt wird. Diese Zusatzkraft wird so dosiert, daß sich eine vorbestimmte Lage des Körpers einstellt. Bei der FR-PS 24 57 485 wird diese vorgegebene Lage durch eine Sendespule und eine Empfangsspule mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik erfaßt, während bei der US-PS 44 00 978 die Lageerfassung mittels einer Lichtschranke erfolgt. Es wird dabei jeweils der Strom zur Erzeugung der Zusatzkraft, um den Körper im Gleichgewicht zu halten, gemessen und ist ein Maß für die Dichte des Meßmediums. Bei beiden Geräten ist ein sehr komplizierter Meß- und Regelaufbau vorgesehen. Weiterhin ergeben sich auch hier durch Temperatureinflüsse und Alterungseinflüsse nachteilige Auswirkungen auf das Meßergebnis. Es handelt sich

hierbei um Kraft-Kompensationsmeßverfahren.

Schließiich kennt man durch die EP-A 1 89 419 einen Dichtemesser, bei dem mit Hilfe einer Hubspule die auf einen Körper bzw. einen Magneten einwirkende Zusatzkraft erhöht wird, bis der Körper von einem unterseitigen Anschlag gerade abhebt. Diese Abhebebewegung wird durch einen Wegaufnehmer erfaßt und der dann gerade fließende St^om durch die Hubspule ist ein Maß für die Dichte der zu messenden Flüssigkeit Eine kontinuierliche Messung der Dichte einer Flüssigkeit ist hiermit nicht möglich. Auch hierbei führt eine Alterung des Magneten zu Meßfehlern. Dasselbe gilt auch für den meist hohen Temperatureinfluß auf Magnete und Eisenteile. Ein weiterer N.ichteil besteht darin, daß dieses Gerät zunächst empirisch geeicht werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dichtemesser zu schaffen, der bei guter Meßgenauigkeit einfach bedienbar und auch gut für kontinuierliche Messungen geeignet ist Dabei sollen Beeinflussungen des Meßergebnisses durch Änderungen der magnetischen Eigenschaften, z. B. Alterung der Magnete oder durch Temperaturschwankungen bedingte Ändei ungen vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Meßeinrichtung als unter dem Boden des Aufnahmebehälters angebrachte, den zweiten Magneten aufweisende, bezüglich des zwischen den beiden Magneten bestehenden Abstandes weitgehend unabhängige Kraftmeßeinrichtung ausgebildet ist

Durch diese Ausbildung des Dichtemessers läßt sich eine gute Meßgenauigkeit unter Vermeidung von Meßfehlern, die z. B. durch Alterung oder andere Änderungen der Magneteigenschaften auftreten, erzielen. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß hier nicht die Schwebehöhe, die verschiedenen Störgrößen unterworfen ist, sondern die zwischen den Magneten übertragene Reaktionskraft gemessen wird.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Meßeinrichtung mit einem induktiven Wegaufnehmer versehen, dessen an federnden Rückstellelementen gelagerter Tauchanker mit dem zweiten Magneten verbunden ist Je nach rückwirkender und von dem ersten auf den zweiten Magneten übertragener Kraft kann über eine Auswerteelektronik eine elektrische Größe erzeugt und zur Anzeige des jeweiligen Dichte-Meßwertes dienen.

Nach einer Weiterbildung kann eine magnetische Zentrierung des Tauchkörpers vorgesehen sein. Dadurch kann der Tauchkörper berührungslos und somit auch reibungsfrei in d?r zur Meßwegachse axial fluchtenden Position gehalten werden.

Nach einer anderen Ausführungsform ist eine strömungsdynamische Zentrierung des Tauchkörpers mittels des Meßmediums vorgesehen. Dabei kann der Tauchkörper du.xh entsprechende Anströmung zentral bzw. axial fluchtend zur Meßwegachse gehalten werden, so daß auch hierbei eine praktisch reibungsfreie Lagerung und Positionierung des Tauchkörpers möglich ist.

Gegebenenfalls ist der Aufnahmebehälter für das zu messende Medium sowie den Tauchkörper als Durchflußbehälter ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Dichte einer Flüssigkeit auch im Durchfluß zu bestimmen, so daß dadurch auch ein umständliches Handhaben z. B. durch Befüllen und Entleeren eines Behällers entfällt. Bei dieser Durchflußmessung macht sich auch vorteilhaft benurkbar, daß hier Volumen und füllslandsunabhängig gemessen wird.

Zweckmäßigerweise ist der Tauchkörper durch die Strömung des Meß-Mediums in Drehung versetzt. Durch diese Bewegung kann eine unerwünschte Haftreibung an seitlichen Führungsflächen vermieden werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Tauchkörper bezüglich einer in Meßrichtung verlängerten Achse als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet. Dies ist insbesondere bei einer Durchflußmessiing mit ίο rotierendem Tauchkörper vorteilhaft

Nach einer anderen Weiterbildung kann der Aufnahmebehälter mit einer Erschütterungseinrichtung versehen sein. Damit wird einer gegebenenfalls auftretenden Haftreibung zwischen Tauchkörper und diesen umgebenden Führungsteilen od. dgl. begegnet

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1 eine im Schnitt gehalte.w: Seitenansicht eines Dichtemessers,

F i g. 2 den in F i g. 1 gezeigten Dichtemesser in Aufsicht und

Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Dick;emessers.

Ein Dichtemesser 1 (Fig. 1) dient hier zur Bestimmung der Dichte eines flüssigen Mediums 2. Er weist einen Aufnahmebehälter 3 auf, in dem sich ein in das Meßmedium 2 eintauchbarer Tauchkörper 4 befindet Unterhalb des Aufnahmebehälters 3 ist eine im ganzen mit 5 bezeichnete Meßeinrichtung angeordnet

Der Tauchkörper 4 einerseits und die Meßeinrichtung 5 andererseits weisen jeweils einen Magneten 6 und 7 auf, wobei sich der erste Magnet 6 am unteren Ende des Tauchkörpers 4 und der zweite Magnet 7 dem ersten Magneten gegenüberliegend und durch den Boden 8 getrennt an der Meßeinrichtung 5 befindet Die Magnete weisen dabei mit gleichnamigen Polen zueinander, so daß, ausgehend von dem Magneten 7 eine in Pichtung des Auftriebes gemäß dem Pfeil PfI auf den Magneten 6 und damit auf den Tauchkörper 4 wirkende Zusatzkraft vorhanden ist.

Der Tauchkörper 4 ist insbesondere von seinem VoIumen und seinem Gewicht her so bemessen, daß er ohne Einfluß der magnetischen Zusatzkraft einen Sinkkörper bildet. Die Zusatzkraft bewirkt dann, daß sich bei einem bestimmten Abstand der Magnete voneinander eine Zusatzkraft einstellt, die den Tauchkörper 4 in der Schwe · be hält. F i g. 1 läßt dabei gut erkennen, daß der Tauchkörper 4 auch in diesem Schwebezustand vollständig in die Meß-Flüssigkeit 2 eingetaucht bleibt. Bei ui:5erschiedlicher Dichte ändert sich entsprechend der Auftrieb des Tauchkörpers 4 und damit auch der Abstand der beiden Magneten 6 und 7 voneinander. Die .auf die Meßeinrichtung 5 magnetisch rückwirkende Kraft ändert sich entsprechend und kann über die Meßeinrichtung mittels eines Wegaufnehmers 9 und einer nachgeschalteten Elekfonik 10 zur Bestimmung der Dichte des Meßmediums 2 umgesetzt werden. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, daß die Magnetkraft keinen Einfluß auf die Meßgröße hat, sondern daß sich je nach verwendeten Magneten 6 und 7 ein entsprechend angepaßter Abstand zwischen den Magneten einstellt Dies ist auch hinsichtlich der Langzeitänderungen der magnetischen Eigenschaften vorteilhaft, da diese keinen Einfluß auf die Meßgröße haben.

Im Ausführungsbeispiel ist ein induktiver Wegauf-

nehmer 9 vorgesehen, dessen Tauchanker 11 an federnden Rückstellelementen 12 gelagert ist und der, über eine Schubstange 13 verbunden,den Magneten 7 trägt.

Die Msßeinrichtung 5 ist in einem im wesentlichen geschlossenen Gehäuse 14 mit einer oberen Stellplatte 15 für den Aufnahmebehälter 3 untergebracht. Dadurch kann bedarfsweise der Aufnahmebehälter 3 entfernt werden, während die Meßeinrichtung 5 u.dgl. stationär an einer Stelle bleiben kann. Gegebenenfalls kann auch ein gemeinsames Gehäuse mit oben angeordnetem Aufnahmebehälter und darunter durch einen Boden getrennt angeordneter Meßeinrichtung vorgesehen sein.

Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, sollte der Tauchkörper 4 bei der Messung axial fluchtend zur Achse M angeordnet sein. Es ist deshalb eine Zentriervorrichtung vorgesehen, wobei in F i g. 1 und 2 eine strömungsdynamisch wirkende Zentriervorrichtung 16 und in F i g. 3 eine magnetische Zentrierung 17 vorgesehen ist, durch die auch mechanische Keibung vermieden wird.

Der Aufnahmebehälter 3 kann sowohl als topfartiger Behälter mit einer oberen Einschüttöffnung als auch, wie in den Figuren erkennbar, als Durchfluß-Aufnahmebehälter ausgebildet sein. Bei einem solchen Durchflußbehäiter sind gemäß F i g. I und 2 zur Vermeidung unerwünschter Auslenkungen des Tauchkörpers 4, sich aufhebende Strömungen des Meßmediums 2 vorgesehen. Insbesondere sind hierbei die Strömungen exzentrisch auf den insbesondere rotationssymmetrischen Tauchkörper 4 gelenkt. Dieser wird durch die Flüssigkeitsreibung in Drehung versetzt, wobei durch die Drehung sonst eventuelle auftretende, insbesondere durch Haftreibung ausgelöste Meßfehler vermieden werden. Im Ausführungsbeispiel ist dazu der Aufnahme- bzw. Durchflußbehälter 3 mit einem zentralen Aufnahmebereich 18 für den Tauchkörper 4 versehen und seitlich uäZü SiTKj *-ϋ3ί"ΟΓΠι%.αΓΠϊΤϊΓ"Π ί:τ ϋΠυ Αυ5ίΓΟΓΠΪ\ΗΓΏΓΠ€ΓΤϊ 20 angeordnet. Die Kammern 19 und 20 sind dabei jeweils so angeordnet, daß sich eine etwa bezüglich des Querschnittes halbseitige Strömungsbeaufschlagung des Tauchkörpers 4 in entgegengesetzten Richtungen ergibt. Der Tauchkörper 4 wird dadurch in Drehung versetzt und gleichzeitig auch bezüglich der in Meßrichtung verlängerten Achse M zentriert. Jeder Zuströmkammer 19 ist in Strömungsrichtung nach dem Aufnahmebereich 18 eine Abströmkammer 20 zugeordnet. Die nebeneinanderliegenden Zuström- und Abströmkammern 19, 20 sind durch Zwischenwände 21 voneinander getrennt Zur Strömungsverteilung sind die Kammern 19 und 20 gegenüber dem zentralen Aufnahmebereich 18 durch Durchtrittsöffnungen 22 aufweisende Wände 23 getrennt Diese gelochten Wände 23 bilden praktisch Strömungswiderstände, durch die auch eine Strömungsvergleichmäßigung im Bereich des Tauchkörpers 4 erzielt werden kann. Als Wände 23 könnten auch siebartige Einlagen od. dgl. verwendet werden. Die Durchtrittsöffnungen 22 sind in der gesamten Höhe der Wände 23 verteilt angebracht, so daß der Tauchkörper 4 auch über seine axiale Länge etwa gleichmäßig strömungsbeaufschlagt wird, obwohl die Zuström- bzw. Abströmkammern 19,20 jeweils nur eine Einlaßöffnung 24 bzw. Auslaßöffnung 25 haben.

Die Strömungsbeaufschlagung des Tauchkörpers 4 kann während der Meßphase auch ausgeschaltet werden, urn das Meßergebnis gegebenenfalls verfälschende Kraftkomponenten auszuschalten. Der Tauchkörper 4 würde sich dann trotzdem durch sein Schwungmoment weiterdrehen.

F i g. 3 zeigt einen Dichtemesser la, bei dem eine magnetische Zentrierung des Tauchkörpers 4 vorgesehen ist. Dazu ist der mit dem Tauchkörper 4 verbundene Magnet 6 mit außen etwa kreisringförmigen Polen vcrsehen bzw. der Magnet 6 ist selbst kreisringfönnig ausgebildet. Dagegen ist der zweite Magnet 7 als Stabmagnet mit vergleichsweise kleinem Querschnitt ausgebildet, so daß dessen Magnetfeld zum Teil in das Zentrum des Ringkreis-Magnetfeldes des ersten Magneten 6 eingreift. Dadurch ergibt sich eine Zentrierwirkung, durch die der erste Magnet 6 mit dem mit ihm verbundenen Tauchkörper 4 bestrebt ist, eine koaxiale Lage zum zweiten Magneten 7 bzw. zur Achse M einzunehmen. Der Verlauf der Magnetlinien des ersten Magneten ist strichliniert eingezeichnet und mit 26 bezeichnet, während die ebenfalls strichliniert angedeuteten Magnctlinien des zweiten Magneten 7 mit 27 bezeichnet sind. In F i g. 3 ist in Abwandlung zu F i g. I noch vorgesehen, daß die Rucksteiifedern für den Tauchanker ii sowie den damit verbundenen Magneten 7 durch Membranen 28 gebildet sind. Bei Verwendung unterschiedlich schwerer Magnete, wie dies in den Ausführungsbeispielen gezeigt ist, ist es zweckmäßig, den größeren, schwereren Magneten im Tauchkörper 4 und den leichteren Magneten bei der Meßeinrichtung 5 vorzusehen. Im Tauchkörper 4 dient nämlich dieser Magnet 6 gleichzeitig auch zur Lagestabilisierung und zum Senkrechthalten des länglichen Tauchkörpers 4 im Meßmedium, so daß dort ein vergleichsweise großes Gewicht ohne Nachteile vorhanden sein kann. Dagegen ist es bei der Meßeinrichtung 5 vorteilhaft, wtnn der Magnet 7 ein möglichst geringes Gewicht hat, weil dadurch die Rückstellfedern, Membranen od. dgl. wesentlich schwächer ausgebildet sein können, wodurch u. a. auch eine hohe Meßempfindlichkeit realisierbar ist. Auch ist der konstruktive Aufwand dadurch wesentlich geringer.

Zur Vcrm^idis"** von urssr^vünschtsr. osis MsQ^r⁰Cbnis negativ beeinflussender Reibung zwischen dem Tauchkörper 4 und seiner Umgebung, z. B. seiner Führung, besteht auch die Möglichkeit, den Aufnahmebehälter 3 od. dgl. mit einer Erschütterungsvorrichtung, z. B. einem Vibrationsgeber zu verbinden. F i g. 1 zeigt eine weitere Möglichkeit, um den Tauchkörper 4 zu bewegen. Dazu ist im Bereich unterhalb des Behälterbodens 8 eine Ringspule 29 angeordnet, mittels der ein auf den Tauchkörper einwirkendes Drehfeld od. dgl. erzeugt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Diehtemesser für Flüssigkeiten, gegebenenfalls für Gase, mit einem Aufnahmebehälter für das zu messende Medium sowie einem darin einer Auftriebskraft ausgesetztem Tauchkörper, der mitteis einer Magnetanordnung in der Schwebe gehalten ist, die zwei gleichpolig zueinander weisende Magnete aufweist, von denen mindestens der eine im Tauchkörper untergebrachte ein Permanentmagnet ist und mit einer Meßeinrichtung, die auf Lageveränderungen des Tauchkörpers anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) als unter dem Boden (8) des Aufnahmebehälters (3) angebrachte, den zweiten Magneten (7) aufweisende, bezüglich des zwischen den beiden Magneten (6, 7) bestehenden Abstandes weitgehend unabhängige Kraftmeßeinrichtung (5) ausgebildet ist

2. Dichteaiesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) mit einem induktiven Weg-Aufnehmer (9) versehen ist, dessen an federnden Rückstellelementen (12) gelagerter Tauchanker (11) mit dem zweiten Magneten (7) verbunden ist

3. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (5) ein Gehäuse (14) mit einer oberen Stellplatte (15) für den Aufnahmebehälter (3) mit dem Tauchkörper (4) aufweist

4. Dichter etser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Zentrierung des Tauchkörpers (4) vorgesehen ist

5. Dichtemesser nacii Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ma_onet (6) kreisringförmig und der zweite Magnet (7) als Stabmagnet ausgebildet ist.

6. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung unterschiedlich schwerer Magnete derjenige mit dem größeren Gewicht im Tauchkörper (4) und der leichtere an der Meßeinrichtung (5) angebracht ist.

7. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch gekennzeichnet, daß eine strömungsdynamische Zentrierung des Tauchkörpers (4) mittels des Meßmediums (2) vorgesehen ist.

8. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmebehälter (3) für das zu messende Medium (2) sowie den Tauchkörper (4) als Durchflußbehälter ausgebildet ist.

9. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper (4) durch die Strömung des Meß-Mediums (2) in Drehungversetzt ist.

10. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper (4) bezüglich einer in Meßrichtung verlängerten Achse (M) als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist.

11. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß'der Aufnahmebehälter (3) einen etwa zentralen Aufnahmebereich (18j für den Tauchkörper (4) sowie seitlich dazu angeordnete, gegenüberliegende, getrennte Zu- und Abströmkammern (19, 20) aufweist, die durch Strcmungswiderstände bildende, Durchtrittsöffnungen (22Ϊ aufweisende Trennwände (23) vom zentralen

Aufnahmebereich (18) getrennt sind.

12. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmebehälter (3) mit einer Erschütterungseinrichtung versehen ist

13. Dichtemesser nach einem der Ansprüche 1 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß am Aufnahmebehälter (3) eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines auf den Tauchkörper (4) einwirkenden magnetischen Drehfeldes vorgesehen ist