DE3539156A1

DE3539156A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der dichte in medien ueber schwingungen hoher frequenzstabilitaet

Info

Publication number: DE3539156A1
Application number: DE19853539156
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Kroebel
Original assignee: KROEBEL WERNER
Current assignee: HDW-ELEKTRONIK GMBH, 2300 KIEL, DE
Priority date: 1985-11-05
Filing date: 1985-11-05
Publication date: 1987-05-07

Description

In der Meeresforschung gehören die Messungen der Temperatur von den Ortskoordinaten, meistens der Tiefe wie auch die elektrische Leitfähigkeit und der Druck für die Ortsbestimmung der Meßsondentiefe zu den zentralen Meßparametern. Von hoher Bedeutung sind indessen auch die Bestimmungen des Salzgehaltes und der Dichte. Sie können bislang mit der für die Meeresforschung benötigten Meßgenauigkeit jedoch z. Zt. noch nicht direkt bestimmt werden. Um sie wegen ihrer zentralen Bedeutung zu ermitteln, werden sie z. Zt. noch indirekt aus den direkt meßbaren Weiten der Temperatur, des Salzgehaltes und des Druckes bzw. der Tiefe errechnet. Diese Berechnung erfolgt über empirische Formeln und haben eine beschränkte Gültigkeit. Es gibt daher zahlreiche Bemühungen insbesondere eine genügend genaue in situ verwendbare Dichtesonde zu schaffen. Bislang ist dies nicht befriedigend gelungen.

Eine befriedigende Lösung dieses Problems ist Gegenstand der hiermit vorgelegten Patentanmeldung.

Der Grundgedanke für die Lösung dieses in der meereskundlichen Forschung außerordentlich wichtigen Parameters besteht nach den Überlegungen des Anmelders mit der lediglich von ihrem Prinzip her gegebenen Lösung in den nachfolgend beschriebenen Ausführungen.

Die Basis der Überlegung bildet eine experimentelle Feststellung des Verfassers, der mit einer in Abb. 1 schematisch wiedergegebenen Anordnung erhalten wurde.

In dieser Anordnung bedeutet 3 einen Quarzdickenschwinger. Er kann zweckmäßigerweise so ausgeführt werden, daß seine Schwingungsknotenebene bei 5 liegt. Dabei kann der Quarz an dieser Stelle auch nach bekannten Methoden gefaßt werden. 1 und 4 sind Medien, die wie etwa Luft einen vom Quarzschwinger in der Größe ^. V extrem abweichenden Wert haben, so daß die Quarzschwingung an ihren Oberflächen wie an einem sogen. freien Ende, d. h. ohne Energieverlust reflektiert werden. Dadurch entsteht in einer der bekannten Quarzschwingschalungen eine hohe Frequenzstabilität.

Nun läßt sich zeigen, daß mit der Aufbringung einer Schicht 2 auf die schwingende Plattenoberfläche die Frequenzstabilität des Quarzes nicht leidet, aber wegen der Massenbelastung erniedrigt wird. Das bedeutet, daß mit diesem Effekt die Dichte des Auflagemediums 2 ermittelt werden kann, aus der mit ihr verbundenen Frequenzerniedrigung der Quarzschwingung. Dies zeigt die Abhängigkeit der Frequenz in Abb. 2 von der Schichtdicke d in 2.

Für eine Ausnutzung dieses Effektes kommt es nun darauf an, die Resonanzschärfe der Anordnung 2 zu erhalten bei einer Anordnung in situ. Dazu ist es nötig zu verhindern, daß an den Grenzflächen des Mediums 2 nach 1 in Abb. 1 und von 3 nach 4 Energieverluste des Schwingungsquarzes auftreten.

Dies ist auf verschiedene Weisen möglich, von denen in den folgenden Abbildungen Beispiele angegeben werden.

In Abb. 3 wird der Abstrahlungsverlust von 2 nach 1 durch eine Schicht 1 bewirkt, die wesentlich ein ·V hat wie Luft. Dies ist möglich, wenn diese Schicht 1 der Abb. 3 aus einem Körper besteht, der in Glasbläschen eingeschlossene Luft enthält und in allen Tiefen anwendbar ist. Aber auch ein Schacht aus Luft für 2 mit einer Folienbegrenzung ist möglich, wenn zwischen 8 und 2 ein ausgleichender Gegendruck eines Luftpolsters verwirklicht wird, deren Durchführung unserem technischen Stand entspricht. Die Grenze zwischen 3 und 4 bildet ebenfalls eine Luftschicht, die gegebenenfalls in einem Druckausgleich zum Druck auf der anderen Quarzseite gehalten wird.

Dazu muß der Raum 4 von 6 und 7 druckfest verschlossen sein. Demgegenüber genügt es die Abstandhalter 8, 9 u. 10 auf bloße Stützen einzuschränken.

Eine 4. mögliche Ausführungsform ist in Abb. 4 wiedergegeben, die nach den bestehenden Ausführungen keiner weiteren Erörterung bedarf, da die Bezeichnungen der Abb. untereinander übereinstimmen. Eine andere Bauform zeigt die Abb. 5. In ihr befindet sich der Quarz 3 in einem Rohr 12. Er hat am Übergang von 3 nach 16 meist druckausgeglichene Luftpolster 16. Die mechanische stabile Halterung der Rohre 13 u. 12 sind so auszuführen, daß über sie keine Schwingungs
Die Abb. 5 zeigt eine horizontale Ausführung mit zwei Rohren 13 und 12 und dem Meßraum 2. Die beiden Rohre werden über Bügel oder ähnliche bekannte Umstruktionen einerseits so fest untereinander verbunden, daß die Rohre einen streng fixierten Abstand für den Meßraum 2 ergeben, aber akustische Schwingungen praktisch nicht übertragen können. Im Rohr 12 ist der Schwingquarz 3 untergebracht, der z. B. wieder in einem Schalterlager in seine Schwingungsknotenebene 5 fixiert wird oder über ein Abschluß 17 als Stempel mit einer Zwischenschicht 16, die praktisch schallundurchlässig ist und aus einem Luftpolter oder einem solchen vergleichbaren Material besteht. Grundsätzlich kann der Stempel 17 auch aus einem Material mit sehr großen ·V ( Dichte, v-Schallgeschwindigkeit) bestehen, wobei dann kein Luftpolstermaterial 16 benötigt wird. Die Gegenseite 14 mit dem Luftpolster oder einem Luftpolster ähnlichen Stoff ist analog aufgebaut wie 17 und 16. Dadurch entsteht ein Meßraum 2 zwischen 3 und 1, in dem praktisch keine Schall- Energie verloren geht und so eine Schwingungserzeugung mit dem Quarz 3 sehr hoher Frequenzstabilität erlaubt. Die Bügel 11 und 15 und evtl. weitere lassen das zu messende Medium beim Durchströmen des Meßmediums freien Spielraum.

Eine weitere Ausführung des Erfindungsgedankens ist in Abb. 6 als ein mögliches Beispiel wiedergegeben. Bei ihm werden zwei Schwingungsquarze wie oben beschrieben, verwendet, die so beschaltet werden, daß die Zwischenschicht 2 zwischen ihnen nur belastend aber nicht energieverzehrenden gemäß den Pfeilen mitgeschältelt wird. Dazu muß durch die Schaltung bewirkt werden, daß die Schwingungszustände der beiden gegenüberstehenden Quarze in der Phase um ca. 180° verschoben schwingen.

Der Erfindungsgedanke läßt viele andere Ausführungsformen zu, insbesondere auch solche, bei denen z. B. durch Belegungen der schwingenden Quarzflächen durch z. B. Quarzauf von geringerem Durchmesser günstigere Anpassungen der Schwingungen und das Medium 2 und auch günstigere Druckströmungen des Meßmediums erreicht werden können.

Claims

Anspruch 1
Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichten in Medien über Schwingungen hoher Frequenzstabilität dadurch gekennzeichnet, daß
ein Quarzschwinger so in eine Meßanordnung integriert wird, daß ihm in geringen Abstand eine Reflexionsfläche mit einem extrem hohen akustischen Reflexionskoeffizient gegenüberliegt und der Quarz selbst mit seiner zweiten schwingenden Fläche an ein Medium grenzt, das gegenüber dem ·v des Quarzes ein extrem abweichendes ·v hat, so daß der Quarz weder nach der einen noch nach der anderen Seite akustische Energie durch Strahlung verlieren kann, so daß er mit dem Medium zwischen Quarz und der einen Reflexionsfläche wie ein zwar massemäßig belasteter aber energetisch unbelasteter Oszillator schwingt, wobei der Zusammenhang zwischen Frequenz und Dichte des Mediums eine Dichtemessung liefert.
Anspruch 2
Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichten in Medien dadurch gekennzeichnet, daß nach Anspruch 1 die den Raum des Meßmediums akustisch durch Anbringung einer Schicht Widerlager (8,14) eine praktisch energetisch verlustlose Reflexion stattfindet, in dem diese aus einem Luftpolster, das mit einer Folie abgegrenzt wird, besteht, wobei der Innendruck dieses Luftpolsters stets so gewählt wird, daß es in seiner Shichtdicke konstant bleibt.
Anspruch 3
Verfahren und Einrichtung zur Messung der Dichten in Medien dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des Luftpolsters nach Anspruch 2 ein in seiner Wirkung einem Luftpolster äquivalenten Materials gebildet wird, z. B. Auftriebsmaterial wie es in der Meereskunde verwendet wird.
Anspruch 4
Verfahren und Einrichtung zur Messung . . . . . . . . . . nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Quarze in einer Gegenüberstellung verwendet werden, die so elektrisch aktiv angetrieben werden, daß die Quarze um etwa 180° in der Phase verschoben gleichsinnig das Medium in ihrem Abstandsraum hin- und herschütteln.
Anspruch 5
Verfahren und Einrichtung zur Messung . . . . . . . . . . nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Quarze so gefaßt sind, daß sie beide mit ihren Gegenflächen, zu denen, die das Medium einschließen, in Gehäuse so eingebaut sind, daß sie von einem Luftpolster abgedeckt sind.
Anspruch 6
Verfahren und Einrichtung zur Messung . . . . . . . . nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz bzw. die Quarze in Halterungen so fixiert sind, daß die Schichtdicke des Mediums konstant bleibt und beide Halterungen zu diesem Zweck nach zahlreichen bekannten Methoden gegeneinander fest verbunden aber akustisch praktisch ausreichend entkoppelt sind.