DE3741558A1 - Vorrichtung zur erfassung der resonanzfrequenz eines mit einem fluid in beruehrung stehenden schwingenden organs - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung befaßt sich allgemein mit einem Wand­ ler vom Schwingungstyp zur Messung von Dichte oder Druck eines Fluids, das mit einem mechanischen schwingenden Organ in Berührung gebracht ist, durch Erfassen einer Resonanzfre­ quenz eines schwingenden Systems, das das mechanische schwingende Organ enthält, und insbesondere mit einem Auf­ bau eines Wandlers, der geeignet ist zur Messung der Dichte oder des Drucks des Fluids, das durch eine Leitung fließt. Aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2 39 228/1985 ist ein Wandlertyp bekannt, der zusammengesetzt ist aus einem schwingenden Organ, einem Hohlraum, der über wenig­ stens einer Oberfläche des schwingenden Organs gebildet ist, so daß er dieser Oberfläche gegenüberliegt, und aus einem Rohr zur Führung einer zu messenden Flüssigkeit in diesen Hohlraum. Dieser Wandler dient zur Messung der Masse, d.h. der Dichte des Fluids innerhalb des Rohres auf der Basis einer Änderung der Resonanzfrequenz eines mechanischen/ akustischen Schwingungssystems, das das schwingende Organ, den Hohlraum und das im Rohr vorhandene Fluid umfaßt.

Der so gestaltete Wandler vom Schwingungstyp besitzt die folgenden Eigenschaften.

Im Falle der Messung der Dichte des in der Leitung oder dgl. fließenden Fluids wirken Erregerkräfte mit einem breiten Frequenzbereich am schwingenden Organ aufgrund von Schwan­ kungen des Flusses oder Störungen des Druckes, beispiels­ weise in Form von Wirbeln oder dergleichen, welche im Rohr erzeugt werden. Hieraus resultiert ein Verlust an Schwing­ frequenzstabilität und ein erhöhter Meßfehler. Aus diesem Grund läßt sich mit dem oben beschriebenen Wandler besten­ falls eine Meßgrenze von einigen m/sec für die Fließge­ schwindigkeit erreichen. Eine Messung für höhere Fließge­ schwindigkeiten, die über der angesprochenen Meßgrenze lie­ gen, ist nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Vermeidung der dem bekannten Wandler anhaftenden Eigenschaften, einen Schwin­ gungswandler zu zeigen, der in einem breiten Bereich von Fließgeschwindigkeiten einen bedeutend geringeren Meßfehler hervorruft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In vorteilhafter Weise kann bei der Erfindung der Wandler so angeordnet sein, daß akustische Rohre, welche als Leitungen zur Führung eines zu messenden Fluids gegenüber einzelnen Oberflächen eines mechanischen schwingenden Organs dienen, zu beiden Seiten des mechanischen schwingenden Organs vorge­ sehen sind, daß die Abmessungen der Hohlräume im wesentlichen gleich denen der akustischen Rohre sind, daß die beiden akustischen Rohre miteinander kombiniert sind, und daß Endstücke der so miteinander kombinierten Rohre zu einer dritten Leitung verbunden sind, die in die Flüssigkeit, welche durch die dritte Leitung fließt, eingebracht ist.

Der Wandler kann bei der Erfindung ferner so ausgestaltet sein, daß wenigstens zwei Hohlräume den jeweiligen Ober­ flächen des mechanischen schwingenden Organs bzw. me­ chanischen Schwingers gegenüber vorgesehen sind, und wenigstens zwei akustische Rohre, welche als Leitungen zur Führung des zu messenden Fluids in die Hohlräume, welche mit den akustischen Rohren in Verbindung stehen, zu beiden Seiten des mechanischen schwingenden Organs vorgesehen sind, daß die Abmessungen der Hohlräume so festgelegt sind, daß sie im wesentlichen gleich denen der akustischen Rohre sind, die an der Oberseite und an der Unterseite des schwingenden Organs vorgesehen sind, daß die akustischen Rohre miteinander kombiniert sind, und daß jedes Ende der so kombinierten Rohre an eine Leitung angeschlossen ist.

Ferner wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung der Resonanzfrequenz eines schwingenden Organs geschaf­ fen, die einen Innenraum und ein im wesentlichen ebenes schwingendes Organ, das im Gehäuse angeordnet ist, aufweist, wobei das schwingende Organ entgegengesetzt liegende erste und zweite Seiten besitzt, und im Innenraum des Gehäuses zur Bildung eines ersten und zweiten inneren Kammerteils angeord­ net ist, von denen jeder Kammerteil im wesentlichen das glei­ che Volumen aufweist, ferner Mittel vorgesehen sind, die am Gehäuse integriert sind, zur Gewährleistung einer gleichen Strömungsverbindung zwischen dem Fluid, das mit der ersten und zweiten Seitenfläche des Schwingers in Berührung steht, und Detektormitteln zur Erfassung der Resonanzfrequenz, die auf die Fluidberührung ansprechen, mit dem schwingenden Organ bzw. dem Schwinger zur Erfassung der Resonanzfrequenz des schwingenden Organs in Verbindung stehen.

Zur Erläuterung der Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung noch näher be­ schrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Umriß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnitt­ linie A-A in der Fig. 1;

Fig. 3 eine detaillierte Darstellung des Schwingungs­ systems der Fig. 2;

Fig. 4 in auseinander gezogener perspektivischer Dar­ stellung das Ausführungsbeispiel der Fig. 1;

Fig. 5A und 5B Ersatzschaltbilder für ein in der Fig. 2 darge­ stelltes Schwingungssystem;

Fig. 6 eine Kurvendarstellung für ein Beispiel einer Fließgeschwindigkeit/Frequenzstreuung - Kenn­ linie;

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbei­ spiel der Erfindung;

Fig. 8 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 7;

Fig. 9 eine detaillierte Darstellung des in der Fig. 8 gezeigten Schwingungssystems;

Fig. 10 in auseinander gezogener perspektivischer Dar­ stellung das in Fig. 7 dargestellte Ausführungs­ beispiel; und

Fig. 11A und 11B Ersatzschaltbilder für das in der Fig. 8 darge­ stellte Schwingungssystem.

In den Fig. 1 bis 6 ist ein kreisförmiges Substrat 1 darge­ stellt, das zwei Oberflächen aufweist, mit denen piezoelek­ trische Schwinger 2 und 3 verbunden sind. Das Substrat 1 be­ sitzt einen Vorsprung 1 a, der in radialer Richtung über die Kreisform hinausragt. Das Substrat 1 ist aus einer dünnen Metallplatte geformt, beispielsweise aus einer mit Kovar bezeichneten Legierung (54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt) oder aus einer Ni-Fe-Legierung. Das Substrat 1 be­ sitzt eine Dicke von etwa 0,1 mm und hat im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die piezo­ elektrischen Schwinger 2 und 3. Wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, ist der piezoelektrische Schwinger 2 zusammengesetzt aus einem scheibenförmigen piezoelektrischen Substrat 2 a, das aus einem Material eines PZT(Pb(Ti-Zr)O₃)-Systems gebildet ist und aus ersten und zweiten Elektroden 2 b und 2 c, die an beiden Oberflächen des piezoelektrischen Substrats 2 a vorgesehen sind. Der piezoelektrische Schwinger 3 besteht aus einem scheibenförmigen piezoelektrischen Substrat 3 a, das aus dem gleichen Material gebildet ist wie das Substrat 2 a, und welches die gleichen Abmessungen aufweist wie dieses, aus einer ersten Elektrode 3 b, die an einer Oberfläche des Substrats 3 a gebildet ist, und aus einer zweiten Elektrode 3 c, die an der entgegengesetzt liegenden Oberfläche am Sub­ strat gebildet ist. Die piezoelektrischen Schwinger 2 und 3 sind so am Substrat 1 befestigt, daß die ersten Elektroden 2 b und 3 b leitfähig mit dem Substrat 1 verbunden sind. Die piezoelektrischen Schwinger 2 und 3 sind in Richtung der Pfeile P polarisiert. Das Substrat 1 und die piezoelektri­ schen Schwinger 2 und 3 sind zur Bildung eines allgemein mit 4 bezeichneten Schwingers kombiniert.

Ein erstes zylindrisches, mit einem Boden versehenes Gehäuse 5 besitzt einen kragenförmigen Ring 5 a an seinem offenen Ende. Ein Ansatzstück 5 c ist an einem Teil eines Bodenstücks 5 b an­ geformt. Eine Rinne 5 d mit halbkreisförmigem Querschnitt ist an das Bodenstück angeformt und erstreckt sich vom Ansatz­ stück 5 c in radialer Richtung. Ein zweites Gehäuse 6 besitzt im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das erste Gehäuse 5. Wie beim ersten Gehäuse 5 ist am zweiten Gehäuse 6 an seinem offenen Ende ein kragenförmiger Ring 6 a vorgesehen. Eine Rin­ ne 6 d ist an einem Bodenteil 6 b angeformt und erstreckt sich von einem Ansatzstück 6 c aus in radialer Richtung.

Das Substrat 1 des Schwingers 4 besitzt im wesentlichen die gleiche Form wie jedes der Öffnungsenden der Gehäuse 5 und 6. Der Vorsprung 1 a ist zwischen die Rinnen 5 d und 6 d ge­ legt und erstreckt sich so, daß er zum Teil die Rinnen 5 d und 6 d in deren Längsrichtung überdeckt. Am Umfang ist das Substrat 1 zwischen die Ringe 5 a und 5 b des ersten und zwei­ ten Gehäuses 5 und 6 eingelegt und hermetisch dicht mit Hilfe von nicht näher dargestellten Schrauben erfaßt. Das erste und das zweite Gehäuse 5 und 6 bestehen aus einem Material, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten aufweist wie das Material der piezoelektrischen Schwin­ ger 2 und 3.

Das erste Gehäuse 5, der Schwinger 4 und das zweite Gehäuse 6 sind schichtweise übereinander angeordnet und bilden ringför­ mige bzw. flache zylindrische Hohlräume 8 und 9. Diese besit­ zen im wesentlichen das gleiche Volumen V zwischen der einen Oberfläche des Schwingers 4 und dem Bodenstück 5 b des ersten Gehäuses 5 und zwischen der anderen Oberfläche des Schwingers 4 und dem Bodenstück 6 b des zweiten Gehäuses 6. An den beiden Seiten des Vorsprunges 1 a des Substrats 1 befinden sich ein akustisches Rohr 10 mit halbkreisförmigem Querschnitt, der umgeben ist vom ersten Gehäuse 5 und dem Vorsprung 1 a und ein weiteres akustisches Rohr 11 mit der gleichen Quer­ schnittsform, welche umfaßt ist vom zweiten Gehäuse 6 und dem Vorsprung 1 a. An ihren Enden sind die akustischen Rohre 10 und 11 mit einer Leitung 12 verbunden, die durch die Rinnen 5 d und 6 d des ersten und zweiten Gehäuses 5 und 6 gebildet wird. Ein Filter 13 ist in halbkreisförmigen Nuten 5 e und 6 e, welche in die Rinnen 5 d und 6 d eingeformt sind, gelagert. Anschlußdrähte 14 a und 14 b erstrecken sich von den Elektroden 2 c und 3 c der piezoelektrischen Schwinger 2 und 3 durch Nuten 5 f und 6 f, welche mit einem Kleber abgedichtet sind. Ein Verstärker 15 liefert eine Wechselspannung über die Elektroden 2 b und 2 c an den piezoelektrischen Schwinger 2. Eine Rückkopplungsschaltung 16 liefert die im piezoelek­ trischen Schwinger 3 erzeugte Spannung über die Elektrode 3 c an den Verstärker 15 zurück.

In dem oben beschriebenen Aufbau läßt sich ein mechanisches/ akustisches Schwingungssystem bestehend aus dem Vibrator 4, den Hohlräumen 8 und 9 und den akustischen Rohren 10 und 11 in Form eines elektrischen Ersatzschaltbildes im Sinne eines mechanischen Systems darstellen. Eine derartige Dar­ stellung zeigt die Fig. 5A, in welcher mit m _m die Masse des Schwingers 4, mit c _m die Federeigenschaft des Vibrators 4, mit m ₁ die Massenwirkung eines jeden der akustischen Rohre 10 und 11, mit c ₁ die akustische Kapazität eines jeden der Hohlräume 8 und 9 und mit a einen Koeffizient, der durch einen ebenen Bereich des Schwingers 4 und Querschnittsbereich eines jeden der akustischen Rohre 10 und 11 bezeichnet sind. Das in der Fig. dargestellte akustische System kann angenä­ hert werden an das in der Fig. 5B dargestellte akustische Sy­ stem bei ausreichender Erhöhung der Resonanzfrequenz des akustischen Systems, welche bestimmt ist durch die akusti­ schen Rohre 10 und 11, wobei die akustischen Kapazitäten der Hohlräume 8 und 9 beträchtlich verringert werden. Hieraus folgt, daß die Resonanzfrequenz dieses akustischen Systems bestimmt ist durch das Federverhalten des Schwingers 4, der Masse des Schwingers 4 und die Massenwirkungen der akusti­ schen Rohre 10 und 11. Das bedeutet, daß bei Erfassung der Resonanzfrequenz es möglich ist, die Dichte des Fluids bzw. fließfähigen Mediums ebenfalls zu erfassen.

Wenn der beschriebene Wandler in das Fluid eingebracht wird, ergeben sich Druckschwankungen in der Leitung 12 aufgrund einer turbulenten Strömung. Diese Druckschwankung setzt sich durch die Hohlräume 8 und 9 und die akustischen Rohre 10 und 11, welche im wesentlichen die gleichen Abmessungen haben, zur Oberseite und Unterseite des Schwingers 4 fort. Hieraus resultiert, daß fast keine Phasendifferenz vorhanden ist, und es ist möglich, eine Änderung der Schwingungsfre­ quenz, welche durch Deformation aufgrund eines Druckungleich­ gewichts an der Oberseite und der Unterseite entstehen könnte, zu vermeiden. Die Messung läßt sich daher mit mini­ malem Fehler durchführen. Aus obiger Beschreibung ergibt sich, daß durch die Erfindung ein zusätzlicher Vorteil dahingehend erhalten wird, daß die Messung mit hoher Genau­ igkeit selbst dann durchgeführt werden kann, wenn starke Druckschwankungen vorhanden sind. Die Fluide in den akusti­ schen Rohren 10 und 11 schwingen in Gegenphase und man erhält hierdurch ein geschlossenes System, in welchem eine nur geringe Abgabe von akustischem Druck an die Außenseite er­ folgt. Darüber hinaus ist fast kein Einfluß vorhanden, wel­ cher durch eine äußere akustische Impedanz, die mit Hinder­ nissen in der Umgebung verbunden ist, hervorgerufen wird. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil für die Leitung 12, in welche die akustischen Rohre 10 und 11 münden, eine bestimmte Länge vorzusehen. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, Eigenschaften zu erhalten, die von der Anwesenheit des Filters 13 nicht abhängen.

Die Fig. 6 zeigt Ergebnisse eines Versuchs zur Untersuchung der Einflüsse der Fließgeschwindigkeit, bei dem der Wandler in eine Leitung eingesetzt wurde, deren Querschnitt 60 mm betrug. Aus den experimentellen Ergebnissen ergibt sich, daß eine Frequenzstreuung δ in äußerst geringem Umfang von weniger als 0,1% innerhalb eines Fließgeschwindigkeits­ bereichs bis zu 50 m/sec vorhanden ist. Nach einem Druck­ abfall ergibt sich ein Durchschnittswert in der Leitung.

Es ergeben sich, wie dargestellt, hervorragende Eigenschaf­ ten.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 bis 11 ist ein kreis­ förmiges Substrat 1′ vorgesehen mit piezoelektrischen Schwin­ gern 2′ und 3′, die mit beiden Oberflächen des Substrats verbunden sind. Das Substrat 1′ besitzt zwei Vorsprünge 1 a′ und 1 b, welche sich jeweils in radialer Richtung erstrecken. Das Substrat 1′ ist aus einer dünnen Metallplatte, beispiels­ weise aus einer mit Kovar bezeichneten Legierung (54% Eisen, 29% Nickel und 17% Kobalt) oder einer Ni-Fe-Legierung ge­ bildet. Das Substrat 1′ besitzt eine Dicke von etwa 0,1 mm und hat im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten wie die piezoelektrischen Schwinger 2′ und 3′. Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, besitzt der piezoelektrische Schwinger 2′ ein scheibenförmiges piezoelektrisches Substrat 2 a′, des aus einem Material vom PZT(Pb(Ti-Zr)O₃)-System besteht. Ferner weist der piezoelektrische Schwinger 2′ eine erste Elektrode 2 b′ und eine zweite Elektrode 2 c′ auf. Diese sind an beiden Oberflächen des Substrats 2 a′ vorge­ sehen. Der piezoelektrische Schwinger 3′ ist zusammengesetzt aus einem scheibenförmigen piezoelektrischen Substrat 3 a′, das aus dem gleichen Material gebildet ist wie das Substrat 2 a′ und die gleichen Abmessungen wie das Substrat 2 a′ auf­ weist, sowie aus der ersten Elektrode 3 b′, die auf der einen Oberfläche des Substrats 3 a′ und aus einer zweiten Elektrode 3 c′, die auf der anderen Oberfläche des Substrats vorgesehen sind. Die piezoelektrischen Schwinger 2′ und 3′ sind am Substrat 1′ befestigt, so daß die jeweils ersten Elektroden 2 b′ und 3 b′ in leitender Verbindung mit dem Substrat 1′ sind. Die piezoelektrischen Schwinger 2′ und 3′ sind in Richtung der dargestellten Pfeile P polarisiert. Ein mit der Bezugs­ ziffer 4′ allgemein bezeichneter Schwinger wird durch das Substrat 1′ und die piezoelektrischen Schwinger 2′ und 3′ gebildet.

Mit 5′ ist ein erster zylindrischer, mit einem Boden versehe­ ner Gehäuseteil bezeichnet, der einen kragenförmigen Ring 5 a′ aufweist, welcher am offenen Ende vorgesehen ist. Ansatz­ stücke 5 c′ und 5 j sind in Teile eines Bodenstücks 5 b′ einge­ formt. Rinnen 5 d′ und 5 g sind an Teile des Bodenstücks 5 b′ angeformt. Die Rinnen 5 d′ und 5 g besitzen jeweils halbkreis­ förmige Querschnitte und erstrecken sich in radialer Richtung ausgehend von den Ansatzstücken 5 c′ und 5 j.

Mit 6′ ist ein zweiter Gehäuseteil bezeichnet, der den glei­ chen Aufbau besitzt wie der erste Gehäuseteil 5′. Wie im Falle des ersten Gehäuseteils 5′ besitzt auch der zweite Ge­ häuseteil 6′ einen kragenförmigen Ring 6 a′, der am offenen Ende vorgesehen ist, und an welchem Rinnen 6 d′ und 6g ange­ formt sind, die sich von Ansatzstücken 5 c′ und 6 j am Boden­ stück 6 b′ in zueinander entgegengesetzt verlaufenden radialen Richtungen erstrecken.

Das Substrat 1′ des Schwingers 4′ besitzt im wesentlichen die gleiche Form wie die offenen Enden der Gehäuseteile 5′ und 6′. Die Vorsprünge 1 a′ und 1 b sind zwischen den Rinnen 5 d′, 6 d′ sowie den Rinnen 5 g und 6 g als Schicht ange­ ordnet und sind so lang ausgebildet, daß sie zum Teil die Rinnen 5 d′, 6 d′, 5 g und 6 g in deren Längsrichtung überdecken. An seinem Umfang ist das Substrat 1′ zwischen den kragen­ förmigen Ringen 5 a′ und 6 a′ des ersten und zweiten Gehäuse­ teils 5′ und 6′ angeordnet. Mit Hilfe nicht näher darge­ stellter Schrauben ist das Substrat an seinem Rand herme­ tisch dicht zwischen den Ringen befestigt. Der erste und der zweite Gehäuseteil 5′ und 6′ sind aus einem Material geformt, das den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf­ weist wie das Material der piezoelektrischen Schwinger 2′ und 3′.

Der erste Gehäuseteil 5′, der Schwinger 4′ und der zweite Gehäuseteil 6′ sind übereinander geschichtet und bilden kreisrunde Hohlräume 8′ und 9′, die im wesentlichen das gleiche Volumen v′ zwischen der einen Oberfläche des Schwingers 4′ und dem Bodenstück 5 d′ des ersten Gehäuseteils 5′ und zwischen der anderen Oberfläche des Schwingers 4′ und dem Bodenstück 6 b′ des zweiten Gehäuseteils 6′ ein­ schließen. An den jeweils einen Seiten der beiden Vorsprünge 1 a′ und 1 b′ sind akustische Rohre 10 a und 10 b mit halbkreis­ förmigem Querschnitt angeformt. Diese beiden Rohre werden vom ersten Gehäuseteil 5′ und von den Vorsprüngen 1 a′ und 1 b′ umgeben. An den anderen Seiten der beiden Vorsprünge ist ein weiteres Paar akustischer Rohre 11 a und 11 b vorge­ sehen, die jeweils die gleiche Form aufweisen wie die akustischen Rohre 10 a und 10 b und welche vom zweiten Gehäu­ seteil 6′ und den Vorsprüngen 1 a′ und 1 b′ umgeben sind. Die Enden der beiden Paare der akustischen Rohre 10 a; 10 b und 11 a; 11 b sind mit Leitungen 12 a und 12 b verbunden, welche an die Rinnen 5 d′ und 6 d′ sowie 5 g und 6 g des ersten und zweiten Gehäuseteils 5′ und 6′ angeformt sind. Mit 13 sind Filter bezeichnet, welche in halbkreisförmigen in die Rinnen 5 d′ und 6 d′ eingeformte Nuten 5 e′ und 6 e′ angeordnet sind. Anschlußdrähte 14 a′ und 14 b′ erstrecken sich von den zweiten Elektroden 2 c′ und 3 c′ der piezoelektrischen Schwin­ ger 2′ und 3′ durch Nuten 6 f′ und 5 f′, die in die Gehäuse­ teile 6′ und 5′ eingeformt sind, nach außen. Die Nuten 6 f′ und 5 f′ sind mit einem Kleber abgedichtet. Ein Verstärker 15′ gibt eine Wechselspannung über die Elektroden 2 b′ und 2 c′ an den piezoelektrischen Schwinger 2′ ab. Eine Rück­ kopplungsschaltung 16′ dient zur Rückführung der im piezo­ elektrischen Schwinger 3′ erzeugten Spannung über die Elek­ trode 3 c′ zurück zum Empfänger 15′.

Der oben beschriebene Aufbau des mechanischen/akustischen Schwingungssystems besteht aus dem Schwinger 4′, den Hohl­ räumen 8′ und 9′ und den akustischen Rohren 10 a, 10 b, 11 a und 11 b, welcher in Form eines elektrischen Ersatzschaltbil­ des, betrachtet vom mechanischen System aus, dargestellt werden kann. Eine derartige Darstellung ist in der Fig. 11 (A) gezeigt, wobei mit m _m ′ die Masse des Schwingers 4′, mit c _m die Federeigenschaft des Schwingers 4′, mit m ₁ die Massen­ wirkung jedes der akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b, mit c ₁′ die akustische Kapazität jedes der Hohlräume 8′ und 9′ und mit a′ ein Koeffizient, der durch den Oberflächenbe­ reich des Schwingers 4′ und durch den Querschnitt eines jeden der akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b bestimmt ist, bezeichnet sind. In der Fig. 11 (B) ist das akustische System wie in der Fig. 5 (B) angenähert an ein Ersatzschaltbild durch ausreichende Erhöhung der Resonanzfrequenz des akustischen Systems, welches durch die akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b gebildet wird, bei erheblicher Verrin­ gerung der akustischen Kapazitäten der Hohlräume 8′ und 9′. Hieraus ergibt sich für dieses System eine Resonanzfrequenz, die durch die Federeigenschaft des Schwingers 4′, die Masse des Schwingers 4′ und die Massenwirkungen der akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b bestimmt ist. Wenn die Resonanz­ frequenz ermittelt ist, ist es möglich, die Dichte des Fluids bzw. des fließenden Mediums ebenfalls zu erfassen.

Wenn der oben beschriebene Wandler in ein strömendes Fluid in der Weise eingebracht wird, daß eine Achse der Leitung parallel mit den Strömungslinien des Fluids verläuft, ist eine der beiden Leitungen, beispielsweise die Leitung 12 b mit ihrem Leitungsende stromaufwärts gerichtet, während die andere Leitung, beispielsweise die Leitung 12 a strom­ abwärts gerichtet ist. Das zu messende Fluid fließt von den akustischen Rohren 10 b und 11 b durch die Hohlräume 8′ und 9′ in die akustischen Rohre 10 a und 11 a. Da die hindurchströ­ menden Fluids in den akustischen Rohren 10 a, 10 b, 11 a und 11 b ständig erneuert werden, wird der Anteil an Wärmetrans­ port bezüglich der Rohrwände verringert. Ein Meßfehler, wel­ cher sich aus thermischen Einflüssen der Wandoberflächen des Gehäuses ergeben könnte, ist daher verringert. Ferner läßt sich die Messung mit hoher Genauigkeit für eine Änderung in der Dichte des Fluids, welche einer scharfen Temperatur­ änderung zuzuschreiben ist, durchführen. Die Drücke in den Leitungen 12 a und 12 b schwanken aufgrund von Verwirbelungen in der Strömung. Die Druckschwankung schreitet durch die Hohlräume 8′ und 9′ sowie durch die akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b fort. Diese besitzen an der Oberseite und an der Unterseite des Schwingers 4 gleiche Abmessungen. In­ sofern tritt fast keine Phasendifferenz auf und es ist mög­ lich, eine Änderung der Schwingungsfrequenz, welche durch Verformung aufgrund von Ungleichgewicht der Drücke an der Oberseite und an der Unterseite hervorgerufen wird, zu ver­ hindern. Es läßt sich mithin die Messung mit minimiertem Fehler durchführen. Die Fluids innerhalb der akustischen Rohre 10 a, 10 b, 11 a und 11 b schwingen in Gegenphase und man erhält somit ein geschlossenes System, bei welchem eine nur geringe Emission von akustischem Druck nach außen hin vorhanden ist. Außerdem herrscht praktisch keine Beein­ flussung, welche durch eine äußere akustische mit in der Umgebung vorhandenen Hindernissen verknüpfte akustische Impedanz hervorgerufen werden könnte.

Die Anzahl der akustischen Rohre, welche mit den Hohlräumen verbunden ist, beträgt nicht notwendigerweise zwei. Es können auch mehrere Rohre vorgesehen sein, unter der Bedin­ gung, daß keine Schwierigkeiten auftreten aufgrund von ge­ teilter Schwingung, welche sich aus einer Verringerung in der festgelegten Fläche des Schwingers 4 bzw. 4′ ergibt. Wenn die Anzahl der akustischen Rohre erhöht wird, werden die zu untersuchenden Fluids in den Gehäuseteilen 5 bzw. 5′ und 6 bzw. 6′ nicht in Abhängigkeit von der Richtung, in wel­ cher das jeweilige Fluid fließt, ersetzt, sondern unverän­ dert aufgrund des dynamischen Drucks der Strömung, wodurch ein noch geringerer Meßfehler erreicht wird. Wenn die An­ zahl der akustischen Rohre auf einen Wert von 2n + 1 (n= 1, 2, ...) festgelegt wird, bei welcher eine aufgespal­ tene Schwingung nicht so ohne weiteres hervorgerufen wird, werden noch bessere Resultate erzielt.

Aus obiger Beschreibung ergibt sich, daß mit der Erfindung folgende Vorteile erzielt werden. Die akustischen Rohre und die Hohlräume, welche im wesentlichen gleiche Abmessungen aufweisen, sind zu beiden Seiten des schwingenden Organs vorgesehen. Die beiden Längen von unabhängigen akustischen Rohren sind so kombiniert, daß ihre Enden mit der Leitung verbunden sind. Bei dieser Anordnung schreiten Druckstörun­ gen an der Oberseite und der Unterseite der schwingenden Platte bzw. des schwingenden Organs ohne Phasendifferenz fort, auch wenn äußerst rasche Druckschwankungen in dem Fluid, welches durch die Leitung fließt, auftreten. Es kann daher die Dichte mit hoher Genauigkeit gemessen werden, wo­ bei Änderungen der Frequenz, welche Druckdifferenzen an bei­ den Oberflächenseiten der schwingenden Platte bzw. des schwingenden Organs zuzuordnen sind, ohne Einfluß bleiben, und ferner die Ansprechzeit erhöht ist. Da die Fluids in den beiden akustischen Rohren in Gegenphase zueinander schwingen, wird die Abgabe von akustischem Druck an die Außenseite ver­ ringert. Demgemäß haben Änderungen der akustischen Impedanz an der Außenseite keinen Einfluß auf die Vorrichtung.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung können wenigstens zwei Hohlräume und wenigstens zwei akustische Rohre an beiden Seiten des schwingenden Organs vorgesehen sein. Diese dienen als Leitungen für das in den Hohlräumen zu messende Fluid, wobei die Hohlräume mit den akustischen Rohren in Verbindung stehen. Die Abmessungen der Hohlräume und der akustischen Rohre sind so festgelegt, daß sie an beiden Oberflächenseiten des schwingenden Organs im wesentlichen gleich sind. Die Längen der beiden akusti­ schen Rohre an der Oberseite und an der Unterseite des schwingenden Organs sind so miteinander kombiniert, daß sie eine Leitung am Ende eines jeden der akustischen Rohre bil­ den. Bei dieser Anordnung fließt ein Teil des Fluids, wel­ ches in der Leitung strömt, durch die Leitung in die Hohl­ räume und beschleunigt die Verdrängung des Fluids innerhalb der Gehäuseteile. Das in den akustischen Rohren befindliche Fluid besitzt eine geringe Wärmeübertragung auf die Wand­ flächen der Gehäuseteile. Eine hohe Meßgenauigkeit kann er­ reicht werden für eine Dichteänderung des Fluids, welche einer scharfen Temperaturänderung zugeordnet ist. Die Druckstörungen schreiten an der Oberseite und an der Unter­ seite der schwingenden Platte ohne Phasendifferenz fort, wenn große Druckschwankungen im Fluid, das durch die Lei­ tung fließt, auftreten. Es ist daher möglich, die Dichte mit hoher Genauigkeit zu messen, wobei Änderungen in der Frequenz aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Ober­ und Unterseite des schwingenden Organs bzw. der Schwinger­ platte auftreten, beseitigt sind. Hierdurch wird die An­ sprechgeschwindigkeit erhöht. Da das Fluid in den akusti­ schen Rohren an der Oberseite und an der Unterseite der Schwingerplatte in Gegenphase zueinander schwingen, ist die Abgabe von akustischem Druck an die Außenseite verringert. Eine Änderung in der äußeren akustischen Impedanz beeinträch­ tigt die Einrichtung nicht.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Resonanzfrequenz eines mit einem Fluid in Berührung stehenden schwingenden Organs, gekennzeichnet durch

• - ein Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) mit einem Innenraum (8, 9; 8′, 9′),
• - ein im wesentlichen flaches schwingendes Organ (4), das im Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) befestigt ist und zwei entgegenge­ setzt zueinander liegende Seitenflächen aufweist zur Bil­ dung eines ersten Hohlraums (8; 8′) und eines zweiten Hohl­ raums (9; 9′), die im wesentlichen ein gleiches Volumen aufweisen,
• - mit dem Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) ein Ganzes bildende Mittel (10, 11; 10 a, 10 b; 11 a, 11 b) zur Schaffung einer gleichen Strömungsverbindung zwischen dem Fluid, das mit der ersten und zweiten Seitenfläche des schwingenden Organs (4) in Berührung steht, und
• - eine Resonanzfrequenzdetektoreinrichtung (2, 3, 15, 16; 2′, 3′, 15′, 16′), die auf die Fluidberührung anspricht und zur Er­ fassung der Resonanzfrequenz des schwingenden Organs (4) mit dem schwingenden Organ (4) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) eine ringförmige Wand aufweist, welche die ersten und zweiten Hohlräume (8, 9; 8′, 9′) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel (10, 11; 10 a, 10 b; 11 a, 11 b) zur Schaffung einer Strömungsverbindung wenigstens ein Einlaßteil aufwei­ sen, das aus einem Stück mit dem Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) gebil­ det ist, wobei dieses Einlaßteil folgende Bestandteile aufweist:

• - ein erstes akustisches Rohr (10), das sich radial vom runden Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) erstreckt und ein Rohrinneres aufweist, welches durch eine Erweiterung (5 c, 5 d), die ein­ stückig am runden Gehäuse (5, 6) vorgesehen ist, und einen Vorsprung (1 a) am schwingenden Organ (4) definiert ist,
• - ein zweites akustisches Rohr (11), das radial vom runden Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) in der gleichen Richtung wie das erste akustische Rohr (10) sich erstreckt und einen Innenraum aufweist, der durch eine Erweiterung (6 c, 6 d), die einstückig mit dem Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) verbunden ist, und den Vorsprung (1 a) am schwingenden Organ (4) definiert ist, und
• - wobei das Volumen des ersten akustischen Rohres (10) und das Volumen des zweiten akustischen Rohres (11) im wesentli­ chen gleich sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßeinrichtung ferner einen Lei­ tungsteil (12) bzw. (12 a, 12 b) aufweist, der gebildet ist von den einstückig am Gehäuse (5, 6; 5′, 6′) angeformten Gehäuse­ erweiterungen, angefangen von dem Ende des am schwingenden Organ (4) vorgesehenen Vorsprungs (1 a) bis zum Ende der beiden mit dem Gehäuse einstückig verbundenen Gehäuseerwei­ terungen (5 d, 6 d).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Schaffung einer Strö­ mungsverbindung mehrere Fluideinlaßmittel enthalten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseerweiterungen (5 d, 6 d; 5 d′, 6 d′, 5 g, 6 g) gewölbt sind.