DE4034883C2 - Vorrichtung zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 35 (1986) No. 4, S. 624-629 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die Innenseite eines durch piezoelektrische Wandler in Rohrschwingungen versetzten Rohrabschnitts mit der zu unter­ suchenden Flüssigkeit in Berührung gebracht. Die Frequenz der erzeugten Rohrschwingung wird je nach Dichte der zu untersuchenden Flüssigkeit unterschiedlich beeinflußt, so daß sich bei geeigneter Kalibrierung der Meßvorrichtung die gemessene Frequenzänderung zur Feststellung der Flüssigkeitsdichte auswerten läßt. Der schwingende Rohrabschnitt des Sensors ist außen von einem Gehäuse gegen Flüssigkeit abgedichtet. Sobald der Sensor in die Flüssigkeit eingetaucht wird, tritt diese durch das offene Rohrende in dasselbe ein. Ein freier Flüssigkeitsaustausch ist hierbei nicht möglich oder wird zumindest behindert.

Dies gilt im wesentlichen auch für die aus der britischen Patentschrift 1 264 317 und der US-Patentschrift 4 232 544 bekannten Vorrichtungen, bei denen die zu untersuchende Flüssigkeit den schwingenden Rohrabschnitt außen und innen beaufschlagt, wobei jedoch in beiden Fällen ein festes Gehäuse den Rohrabschnitt umgibt, wodurch auch hier der freie Flüssigkeitsaustausch behindert wird.

Aus der US 4 294 872 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Differenzdruckes bekannt, bei der ein an einem Ende verschlossenes Rohr mit piezoelektrischen Wandlern verwendet wird, wobei die elektrischen Zuleitungen gegen die Flüssigkeit abgedichtet nach außen geführt sind. Sowohl der Außenmantel als auch der Innenmantel dieses Rohrs werden mit einem Fluid beaufschlagt, wobei der Druckunterschied zwischen den beiden Fluiden ausgewertet wird. Durch verhältnismäßig kleine Einlaßöffnungen wird dabei in die beiden vom Innenmantel des Rohrs bzw. vom Außenmantel zusammen mit einem umgebenden Gehäuse gebildeten Kammern jeweils eine bestimmte Fluidmenge eingeleitet. Nach der Messung muß dieses Fluid wieder aus den Kammern abgeleitet und neues Fluid zur Durchführung einer neuen Messung eingeleitet werden.

Schließlich ist aus der GB 827 344 eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei der ein freies Bestreichen des Außenmantels des Sensors nicht möglich ist, sondern es werden durch enge Einführungen vorbestimmte Mengen von zwei Fluiden in eine innere bzw. äußere Kammer eingeleitet, die Messung durchgeführt und die Medien wieder abgeleitet. Die elektrische Kapselung erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung durch Einbetten der Erregerspulen und Spulleitungen in einen festen Ständer im Innern des Rohrabschnitts.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Sensor zu schaffen, dessen schwingender Rohrabschnitt nur an seiner Außenseite von der zu untersuchenden Flüssigkeit berührt wird, so daß sich ein guter Flüssigkeitsaustausch während der Messung ergibt und der Sensor in Behältern, Gerinnen oder Flüssigkeitskörpern beliebiger Ausformung eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Sensor wird durch Auswertung der Schwingungsfrequenzänderung bezüglich der durch die piezoelektrischen Wandler angeregten Schwingung auf die Dichte der den Sensor umgebenden Flüssigkeit ge­ schlossen. Hierbei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß das Quadrat der Schwingungs-Periodendauer eine im we­ sentlichen lineare Funktion der zu messenden Flüssigkeits­ dichte ist.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche deren Anwendung auf verschiedenen Anwendungsgebieten erleichtert.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den in eine Behälterwand eingebauten Sensorteil der Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine etwa der Fig. 2 entsprechende schematische und zu Demonstrationszwecken stark überhöht ge­ zeichnete Darstellung des schwingenden Rohrab­ schnitts und

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Teilseitenansicht durch die Spitze des Sensors mit eingebautem Temperaturfühler.

Eine Wand 1 eines im übrigen nicht dargestellten Flüssig­ keitsbehälters ist durchbohrt und die Bohrung ist mit einem Innengewinde 2 zum Einschrauben eines entsprechenden Außen­ gewindes eines Kupplungsstückes 3 versehen. Die nicht darge­ stellte, zu untersuchende Flüssigkeit, die sich in dem Flüssigkeitsbehälter befindet, ist in Fig. 1 auf der Ober­ seite der Wand 1 vorzustellen. Die Abdichtung des Kupplungs­ stücks 3 an der Wand 1 erfolgt durch festes Anziehen des Gewindes mit Hilfe einer ringförmigen Flachdichtung 4. Zum Einschrauben des Kupplungsstücks kann an einem mehrkantig ausgebildeten Abschnitt 5 des Kupplungsstücks 3 ein ent­ sprechender Mehrkantschlüssel eingesetzt werden. Das äußere Ende 6 des Kupplungsstücks 3 ist so ausgestaltet, daß es mit einem nicht gezeigten abschließenden Gehäuse verbunden werden kann, das eine an sich bekannte elektronische Schal­ tung zur Signalerzeugung und -verarbeitung enthält.

Das Kupplungsstück 3 ist an seinem dem äußeren Ende 6 entge­ gengesetzten inneren Ende mit einem ersten offenen Ende 7 eines in Schwingungen zu versetzenden Rohrabschnitts 8 über eine Schweißnaht oder eine andere feste und flüssigkeits­ dichte Verbindung verbunden. Auf der Innenseite des Rohrab­ schnitts 8 ist an vier um je 90° versetzten Stellen je ein piezokeramischer Wandler 9 in Form einer kreisrunden Scheibe mittels eines geeigneten Lotes oder Leitklebers 10 befes­ tigt. Ebenfalls durch Lot oder Leitkleber sind an Kontakt­ stellen 11 jeweils Anschlußdrähte 12 mit den vom Rohrab­ schnitt 8 abgewandten Seiten der Wandler 9 verbunden.

Das zweite, innere Ende 14 des Rohrabschnitts 8 ist durch eine Endkappe 13 flüssigkeitsdicht verschlossen, die eben­ falls über eine Schweißnaht oder ähnlich feste Verbindung mit dem Rohrabschnitt 8 verbunden ist.

Die Anschlußdrähte 12 sind durch das Kupplungsstück 3 nach außen geführt und mit der nicht dargestellten elektronischen Schaltung in geeigneter Weise verbunden.

Wie aus den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, sind auf der Innenseite des Rohrabschnitts 8 vier ebene Flächen 15 ausge­ bildet, deren Quer- und Längsabmessungen etwa dem doppelten Durchmesser der piezokeramischen Wandler 9 entsprechen. Die ebenen Flächen 15 dienen zur einwandfreien kraftschlüssigen Verbindung des Rohrabschnitts 8 mit den piezokeramischen Wandlern 9. Die Innenkontur des Rohrabschnitts 8 läßt sich vorteilhaft durch Drahterosion aus einem metallischen Mas­ sivstück bzw. ganz oder teilweise aus korrosionsbeständiger keramischer und vorzugsweise leitender Masse herstellen.

Jeweils zwei gegenüberliegende piezokeramische Wandler 9 werden über die Anschlußdrähte 12 gemeinsam von der elektro­ nischen Schaltung so erregt, daß sie eine Schwingung des Rohrabschnitts 8 in an sich bekannter Weise erzeugen. Die erzeugte Schwingung ist in Fig. 3 schematisch wiedergegeben, wobei die in ausgezogenen Linien und die in gestrichelten Linien dargestellte Stellung des Rodrabschnitts 8 abwech­ selnd im Abstand einer Halbschwingung eintreten. Zu Demon­ strationszwecken ist diese Schwingungsbewegung in Fig. 3 stark überhöht wiedergegeben. Die beiden nicht durch die elektronische Schaltung als Schwingungserzeuger verwendeten und ebenfalls einander gegenüberliegenden piezokeramischen Wandler 9 werden durch die angeregte Schwingung des Rohrab­ schnitts 8 mechanisch verformt und setzen diese Verformung in ein elektrisches Spannungssignal um, das wiederum auf die elektronische Schaltung gegeben wird. Die Paarigkeit der Funktionsweise der piezokeramischen Wandler wird in vorteil­ hafter Weise durch Parallelschaltung der Anschlußdrähte 12 erreicht, wobei der elektrische Kreis durch die elektrische Massefunktion des vorzugsweise metallischen Rohrabschnitts 8 und Kupplungsstücks 3 in nicht näher dargestellter Weise geschlossen wird.

Die von der elektronischen Schaltung angeregte Schwingung des Rohrabschnitts 8 wird durch die denselben von außen benetzende, zu untersuchende Flüssigkeit gedämpft und in ihrer Frequenz verändert. Diese veränderte Frequenz wird durch das zweite Paar von piezokeramischen Wandlern 9 abgetastet und in ein elektrisches Signal umge­ wandelt, das durch die elektronische Schaltung ausgewertet und in einer dem Fachmann geläufigen Weise in eine Anzeige der Flüssigkeitsdichte umgewandelt wird.

Meßvorrichtungen dieser Art zeigen ein von der Temperatur abhängiges Verhalten. Dies ist im wesentlichen auf die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls des Rohrmate­ rials zurückzuführen. Um diesen Temperatureinfluß durch Kompensation zu eliminieren, kann gemäß Fig. 4 zum Verschluß des zweiten Rohrabschnittendes 14 eine anders geformte Endkappe 18 verwendet werden, in die ein Temperaturfühler 16 von der Innenseite her eingeschraubt ist, dessen Anschluß­ drähte 17 ebenfalls mit der nicht gezeigten elektronischen Schaltung verbunden sind. Die elektronische Schaltung kann dann in einer dem Fachmann geläufigen Weise eine Temperatur­ kompensation vornehmen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung der Dichte einer Flüssigkeit, die sich in einem Behälter oder in einer anderen, von außen zugänglichen Einrichtung befindet, mit einem Sensor, der einen mit der Flüssigkeit in Berührung stehenden stiftförmigen Rohrabschnitt aufweist, an dem piezoelektrische Wandler zur Erzeugung von Rohrschwin­ gungen und eine Anordnung zum Abtasten der Rohrschwin­ gungen angebracht sind, wobei elektrische Zuleitungen für Wandler und Abtastanordnung durch ein erstes Ende des Rohrabschnitts nach außen geführt und mit einer elektronischen Schaltung zur Anregung und Auswertung der Rohrschwingungen für die Ermittlung der Dichte der zu untersuchenden Flüssigkeit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (14) des Rohrab­ schnitts (8) flüssigkeitsdicht verschlossen ist, daß der Außenmantel des Rohrabschnitts (8) frei in die zu untersu­ chende Flüssigkeit taucht, daß an dem gegen die Flüssigkeit abgeschirmten Innenmantel des Rohrab­ schnitts (8) zwei Paare von jeweils einander gegenüber­ liegenden piezoelektrischen Wandlern (9) befestigt sind, wobei das eine Paar die Rohrschwingung anregende Signale von der elektronischen Schaltung empfängt und das andere Paar elektrische Signale, die der von ihm abgetasteten Rohrschwingung entsprechen, auf die elektronische Schaltung gibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende (7) des Rohrabschnitts (8) flüssigkeits­ dicht mit einem Kupplungsstück (3) verbunden ist, das flüssigkeitsdicht in eine Öffnung des die zu untersu­ chende Flüssigkeit enthaltenden Behälters (1) einsetzbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsstück (3) mittels eines Außengewindes in ein Innengewinde (2) der Öffnung einschraubbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Wand­ ler (9) scheibenförmig ausgebildet und flächenhaft mit je einer ebenen Auflagefläche (15) auf der Innenseite des Rohrabschnitts (8) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (8) metal­ lisch leitend ist und daß jedes Paar von piezoelektri­ schen Wandlern (9) jeweils parallel und der Rohrab­ schnitt (8) als Massepol mit der elektronischen Schal­ tung verbunden sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das verschlossene zweite Ende (14) des Rohrabschnitts (8) von innen ein mit der elektronischen Schaltung zur Temperaturmessung und/oder Temperaturkompensation verbundener Temperaturfühler (16) einsetzbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (16) einschraubbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (8) ein­ schließlich des verschlossenen zweiten Endes (14) auf seiner der zu untersuchenden Flüssigkeit ausgesetzten Außenseite mit einer Korrosions-Schutzschicht überzogen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnitt (8) ganz oder teilweise aus einer korrosionsbeständigen Keramikmasse besteht.