JP2005515432A - 粘度および／または密度を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

機械的な振動を起こすことができる振動子を用いて流体（５）の粘度および／または密度を測定するための装置（７）であって、振動子が流体（５）と接触できるように設けられており、発振器回路（２）が設けられている形式のものにおいて、発振器回路（２）は第１の帰還結合回路網（Ｋ_１）および第２の帰還結合回路網（Ｋ_２）を有していることを特徴とする装置が提案される。

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の流体の密度および／または粘度を測定するための装置から出発している。

ＤＥ１９８５０８０３号から既に、液体の密度および粘度を求めるためのセンサ装置および方法が公知であり、その際少なくとも発振回路の用途が提案される。

発明の利点
これに対して請求項１の特徴部分に記載の構成を有する本発明の装置は、測定結果に不都合な影響を及ぼす効果に対する補償が可能になるという利点を有している。

従属請求項に記載の構成により、請求項１に記載の装置の有利な発展形態および改良形態が可能である。

第１の帰還結合回路網が、センサとして機能する共振器を周波数決定素子として有している帰還結合回路網に相応して設けられておりかつ第２の帰還結合回路網が、補正容量を周波数決定素子として有している帰還結合回路網に相応して設けられていることは特別有利である。これにより、高粘性の液体の粘度の測定の際に測定インピーダンスに対して実質的に並列に存在している、例えば漂遊容量の形の容量を補償可能とすることができる。これにより有利にも。並列接続されている容量の補償が、補償のために、よくない、すなわち大きな温度係数を有するないし例えば誘導素子のようなよくないドリフト特性を有する構成部分を基準にして考える必要なく可能になる。

更に、装置は増幅器を有しており、増幅器は第１の入力側を有しておりかつ増幅器の該第１の入力側に第１の帰還結合回路網の出力側が導かれておりかつ第２の帰還結合回路網の出力側が導かれており、ここで増幅器の該第１の入力側に帰還結合回路網の出力の差が供給されるようになっていることは有利である。これにより、簡単にも、補正容量を補正すべき並列接続されている容量より多少大きく選択することによって並列接続されている容量の補償が可能である。

図面
本発明の１実施例が図面に示されておりかつ以下の記述において詳細に説明される。その際
図１は共振周波数の周辺における水晶共振器の等価回路を示し、
図２は提案される発振器回路のブロック線図を示し、
図３は本発明の装置を有する測定装置の概略を示す。

実施例の説明
粘度および／または密度測定のために圧電振動子、殊に水晶から成る厚みすべり振動子を使用することは既に一般に公知である、この種の厚みすべり振動子が粘性の液体中に入れられると、固有振動の共振周波数および固有振動の減衰は液体の粘度および密度に依存して変化する。

分かり易くするために図３の説明から始める。図３には本発明の装置を有する測定装置が略示されている。容器６に流体５、本発明によれば殊に液体５が存在している。液体５ないし流体５に参照番号５で示されている振動子が浸かっている。振動子３は調整および評価ユニット４に接続されている。このユニットは図示されていない有線または無線チャネルを介して液体５の測定すべき量に関する測定結果を先送りすることができる。振動子３および調整および評価ユニット４は一緒に、参照番号７によって示されている本発明の液体の粘度および／または密度測定装置を形成している。このことは図３では破線で示されている、振動子３と調整および評価ユニット４との組み合わせ７によって図示されている。

次に図１および図２について説明する。

その際水晶共振器に対して図１に図示の等価回路が当てはまる。この等価回路は、図１の左側に図示されていて、参照番号１で示されている、振動系に対する回路シンボルが図１では１００で示されている第１の部分と図１では参照番号２００で示されている第２の部分とに相応していることを表している。ここで、１で示されている振動系は振動子３とこれに結合している流体５とから成っており、第１の部分は以下に「ドライ部」と称され、かつ第２の部分は以下に「液体部」または「流体部」とも称される。

ドライ部１００および流体部２００は図１では直列回路の意味において接続されておりかつ図１の右側において縦続配置されている。この場合ドライ部１００は振動子３を含んでいる。振動子の特性は第１の容量Ｃ_１，第１のインダクタンスＬ_１および第１の抵抗Ｒ_１によって記述される。ここでは流体部２００は振動子３に接している流体層ないし振動子の機械的な振動によって影響される流体成分を含んでいる。その際振動子３に結合されている流体層ないし振動子に結合されている流体成分の特性は第２のインダクタンスＬ_２および第２の抵抗Ｒ_２によって記述される。

第２の抵抗Ｒ_２は流体ないし液体の密度とダイナミック粘度との積の平方根に近似的に比例している。第２の抵抗Ｒ_２は液体による粘性の減衰を表している。第２のインダクタンスＬ_２により粘性の液体による周波数遷移が生じ、その際第２のインダクタンスＬ_２は共振器表面に凹凸がある場合この凹凸のある共振器表面で「捕えられた」液体成分によって生じる成分も含んでいる。この周波数遷移は同じように、流体ないし液体の密度とダイナミック粘度との積の平方根に近似的に比例している。それ故に密度が既知であるまたは十分に一定である場合には共振器は（ダイナミックな）粘度を突き止めるために使用することができる。評価ないし測定のために、本発明によれば、使用の電気的なパラメータを周波数決定素子としての共振器の使用によって発振器回路においてないし発振器回路によって捕捉検出するようになっている。

高粘性の液体を特徴付ける場合には、第２の抵抗Ｒ_２が著しく上昇するので、共振器のインピーダンスは直列共振周波数の周辺でも実質的に第１の容量Ｃ_１、第１のインダクタンスＬ_１、第１の抵抗Ｒ_１、第２のインダクタンスＬ_２および第２の抵抗Ｒ_２から成る直列接続に並列に存在しておりかつ参照符号Ｃ_０で示されている容量によって決定される。この容量Ｃ_０は、励振のために共振器に付けられている電極によって図示される静電容量を表している。図１には簡単にするために図示されていない、容量Ｃ_０に対して並列に存在している所謂その他の漂遊容量も存在している可能性がある。漂遊容量は例えば、センサエレメントに対するリードによって図示される容量を表している。

第２の抵抗Ｒ_２の抵抗値が高い場合、すなわち液体の粘度が高い場合、共振器の全体のインピーダンスは直列共振周波数の周辺においても実質的に容量Ｃ_０（もしくは付加的に漂遊容量）によって決定され、これにより発振器回路を用いた関連の付加パラメータの決定が困難である。

考えられる対抗措置は、容量Ｃ_０もしくは付加的に共振器の直列共振周波数の周辺における漂遊容量を補償するためのインダクタンスの並列接続である。この場合の欠点は一方における、この付加的な（補償する）インダクタンスの必要な調整および他方における、誘導的な素子の通例は悪い温度係数ないしドリフト特性である。

本発明によれば、容量Ｃ_０の障害となる影響が以下に補正容量Ｃとも表す参照容量Ｃの使用によって抑圧されるようにした発振器回路が設けられている。最も簡単な場合、この参照容量Ｃは例えば、容量Ｃ_０の値を有しているというものである。有利にも本発明によれば、同調すべきインダクタンスを必要とすることもなく、従ってこのことと結び付いているどんな欠点も生じることなく容量Ｃ_０を補償することができるのである。

図２には本発明の発振器回路２のブロック線図が示されている。発振器回路２は増幅器Ｖ、第１の帰還結合回路網Ｋ_１、第２の帰還結合回路網Ｋ_２および増幅度調整ユニットＡＧＣを有している。増幅器Ｖは第１の入力側１０，第２の入力側１１および１つの出力側１２を有している。第１の帰還結合回路網Ｋ_１は１つの入力側２１および出力側２２を有している。第２の帰還結合回路網Ｋ_２は１つの入力側３１および出力側３２を有している。増幅度調整ユニットＡＧＣは１つの入力側４１および出力側４２を有している。増幅器Ｖの出力側１２は第１の帰還結合回路網Ｋ_１の入力側２１にも第２の帰還結合回路網Ｋ_２の入力側３１にも増幅度調整ユニットＡＧＣの入力側４１にも接続されている。第１の帰還結合回路網Ｋ_１の出力側は増幅器の第１の入力側１０に接続されている。第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力側は同様に増幅器の第１の入力側１０に接続されている。本発明によれば殊に次のようになっている：第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力側３２が増幅器Ｖの第１の入力側に接続されているが、それは第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力側３２が増幅器Ｖの第１の入力側に反転作用するように、すなわち増幅器Ｖの第１の入力側に、第１および第２の帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２の出力側２２，３２の差が加わるように接続されている。このことは図２において、第１および第２の帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２の出力側２２，３２の信号がまとめられる近傍で第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力側３２がマイナス記号（−）で示されていることによって表されている。

発振器回路２の要部は、増幅器Ｖおよび、図２では参照符号Ｑを備えている、周波数決定要素としての共振器を含んでいる帰還結合回路網Ｋ_１である。共振器Ｑは本発明によれば殊に、水晶として設けられておりかつ以下に水晶とも称される。帰還結合回路網Ｋ_１の伝達係数は典型的には、それが水晶Ｑの直列共振周波数の近傍で絶対値的に見て最大値を有しているように実現されている。同時にこの点の近傍において有利には、発振に対する位相条件が充足されるべきであり、すなわち第１の帰還結合回路網Ｋ_１および増幅器Ｖの位相の和が３６０°の倍数になるようにすべきである。今述べた条件は第１の帰還結合回路網Ｋ_１、第２の帰還結合回路網Ｋ_２および増幅器Ｖの回路ブロックの相応の設計によって充足されるようにすることができる。

発振は、振動条件が充足されている周波数ωにおいて行われる。すなわち図２に示されている装置の場合このことは次のことを意味している：増幅器Ｖの伝達係数と、第１の帰還結合回路網Ｋ_１の伝達係数と第２の帰還結合回路網Ｋ_２の伝達係数との差との積がちょうど１にならなければならない。この場合発振器回路２の機能ブロックの伝達係数は複素数の伝達係数と見なすことができ、それ故にこの振動条件は振幅条件と位相条件とに分けられる。

増幅度調整ユニットＡＧＣにより、発振周波数が位相条件によって前以て決められている場合の振幅条件を充足することができる。増幅度調整ユニットＡＧＣは例えば殊に、図２では簡単にするために図示されていない機能ブロック、つまり発振器回路２の図２では参照符号ＦＳで示されている第１の出力信号の振動振幅を検出するための機能ブロックを含んでる。この第１の出力信号は本発明によれば殊に、増幅器Ｖの出力信号に相応してる。振動振幅を検出するための増幅度調整ユニットＡＧＣにおけるこの機能ブロックは殊に、整流器回路として実現されている。更に、増幅度調整ユニットＡＧＣは例えば殊に、図２では簡単にするために図示されていない調整器を含んでいる。この調整器は、増幅度調整ユニットＡＧＣの出力側４２および増幅器Ｖの第２の入力側１１を介して増幅器Ｖにおける増幅度を、一定の振動振幅が生じるように調整設定する。増幅度調整ユニットＡＧＣの出力側４２に、図２において参照符号ＶＳで示されている、発振器回路２の第２の出力信号が対応してる。

本発明によれば、発振回路による調整の際に、測定すべきインピーダンスによって決定される直列共振周波数において発振を引き起こすという目的があり、その際測定すべきインピーダンスは図１に図示の、第１のインダクタンスＬ_１、第１の容量Ｃ_１、第１の抵抗Ｒ_１、第２のインダクタンスＬ_２および第２の抵抗Ｒ_２から成る直列接続によって決められている。その場合、補償が行われる際に実質的にインダクタンスＬ_１およびＬ_２および第１の容量Ｌ_１によって決められておりかつ第１の出力信号ＦＳの基準となっている発振器周波数を第２のインダクタンスＬ_２を突き止めるために使用することができる。以下に損失抵抗Ｒ_２とも称される第２の抵抗Ｒ_２は第１の帰還結合回路網Ｋ_１の減衰を決定するので、該第２の抵抗は発振を引き起こすために必要な、増幅度を決定する、発振回路の第２の出力信号ＶＳによって間接的に決定することができる。この出力信号ＶＳは以下に、増幅度信号ＶＳとも称される。２つの量、すなわち第１のインダクタンスＬ_１および第２の抵抗Ｒ_２は流体の（ダイナミック）粘度と密度との積によって決定されるので、これら液体特性を決定するために出力信号ＦＳおよびＶＳを用いることができる。

しかし第２の帰還結合回路網Ｋ_２がなければ周波数決定位相条件は、以下にスタチック容量Ｃ_０とも称される容量Ｃ_０によって決定的に影響されることになる。このことは殊に損失抵抗Ｒ_２が大きい場合に当てはまるが、このことは直列共振分岐を非常に高抵抗にする。従って振動子系の総インピーダンスにおけるスタチック容量Ｃ_０のために第１の帰還結合回路網Ｋ_１の周波数特性に位相誤差が生じ、これにより振動周波数は所望の直列共振周波数から離れるもしくは極端な場合には振動が途切れることすらある。直列共振周波数から偏差すると、増幅度調整ユニットＡＧＣから供給される第２の出力信号ＶＳからもはや損失抵抗Ｒ_２をエラーなく推定することができない可能性がある。スタチック容量Ｃ_０は並列インダクタンスによって補償することができるが、これには、例えば次に挙げるような重大な不都合が付いてくる可能性がある：
インダクタンスは同調しにくく、製造に際しても必ずや製造許容偏差が大きい
コイルのインダクタンス値はドリフトしかつ温度依存性を有しており
補償は、スタチックな容量Ｃ_０および並列接続されているインダクタンスによって決められている並列共振周波数においてのみ行われる。

スタチック容量Ｃ_０（および場合によって存在する、これに対して並列に存在している漂遊容量）の本発明の補償方法は、第１の帰還結合回路網Ｋ_１が、水晶Ｑのインピーダンスの逆数に少なくとも近似的に比例している伝達関数を有しているという仮定に基づいている。この場合スタチック容量Ｃ_０の成分は、ブロック回路図において第１の帰還結合回路網Ｋ_１に並列に配置されている第２の帰還結合回路網Ｋ_２によって次のようにして補償することができる。つまり、第１の帰還結合回路網Ｋ_１および第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力信号を、図２に示されているように減算するのである。帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２が同じに選択されると、スタチック容量Ｃ_０の完全な補償のために補正容量Ｃはスタチック容量Ｃ_０の値にセットされなければならない。第２の帰還結合回路網Ｋ_２の働きは、第２の帰還結合回路網Ｋ_２も、実質的にインピーダンス、すなわち補正容量Ｃのインピーダンスの逆数に比例している伝達関数を有している場合には帰還結合回路網Ｋ_１の働きに匹敵するものである。

補正容量Ｃを最適な補償のために必要である値に正確に調整する代わりに、補償は有利には第２の帰還結合回路網Ｋ_２の伝達関数に影響を及ぼす別のパラメータ、例えば増幅係数のようなものを変化させることによって行うこともできる。

本発明の発振回路ないし本発明の装置７の有利な回路技術的な形態はアースに関して、すなわち図２には簡単にするために発振回路の基準電位を使用し、これにより帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２の出力信号２２，３２の減算を信号線路の「交差」によって行うことができる。帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２の出力側２３，２４をいわゆる電流出力側の形で実現することで更に、加算点の簡単な実現が可能になる。これは図２に、増幅器の入力側１０に対して帰還結合回路網Ｋ_１，Ｋ_２の出力側２２，３２がまとめられている円内のプラス符号（＋）によって示されている。電流出力側の形の出力側２２，３２のこのような実現により、（加算点に代わって）図示されていない減算点を用いて第２の帰還結合回路網Ｋ_２の出力信号を第１の帰還結合回路網Ｋ_１の出力信号から本発明により減算することも可能になる。

共振周波数の周辺における水晶共振器の等価回路 提案される発振器回路のブロック線図 本発明の装置を有する測定装置の概略図

Claims (8)

1. 機械的な振動を起こすことができる振動子を用いて流体（５）の粘度および／または密度を測定するための装置（７）であって、
   振動子は流体（５）と接触できるように設けられており、
   発振器回路（２）が設けられている
   そういう形式のものにおいて、
   発振器回路（２）は第１の帰還結合回路網（Ｋ_１）および第２の帰還結合回路網（Ｋ_２）を有している
   ことを特徴とする装置（７）。
2. 第１の帰還結合回路網（Ｋ_１）は、センサとして機能する共振器（Ｑ）を周波数決定素子として有している帰還結合回路網に相応して設けられておりかつ
   第２の帰還結合回路網（Ｋ_２）は、補正容量（Ｃ）を周波数決定素子として有している帰還結合回路網に相応して設けられている
   請求項１記載の装置（７）。
3. 装置（７）は増幅器（Ｖ）を有しており、
   増幅器（Ｖ）は第１の入力側（１０）を有しておりかつ
   増幅器（Ｖ）の該第１の入力側（１０）に第１の帰還結合回路網（Ｋ_１）の出力側（２２）が導かれておりかつ第２の帰還結合回路網（Ｋ_２）の出力側（３２）が導かれており、ここで増幅器（Ｖ）の該第１の入力側（１０）に帰還結合回路網（Ｋ_１、Ｋ_２）の出力（２２，３２）の差が供給されるようになっている
   請求項１または２記載の装置（７）。
4. 増幅器（Ｖ）は１つの出力側（１２）を有しており、ここで該増幅器出力側（１２）は第１の帰還結合回路網（Ｋ_１）の入力側（１２）および第２の帰還結合回路網（Ｋ_２）の入力側（３１）に接続されている
   請求項３記載の装置（７）。
5. 増幅器出力側（１２）は発振器回路（２）の第１の出力信号に相応する
   請求項４記載の装置（７）。
6. 装置（７）は増幅度調整ユニット（ＡＧＣ）を有しており、ここで該増幅度調整ユニット（ＡＧＣ）は１つの入力側（４１）を有しており、かつ増幅器出力側（１２）は増幅度調整ユニット（ＡＧＣ）の入力側（４１）に接続されている
   請求項４または５記載の装置（７）。
7. 増幅器（Ｖ）は第２の入力側（１１）を有しており、
   増幅度調整ユニット（ＡＧＣ）の出力側（４２）は増幅器（Ｖ）の第２の入力側に接続されている
   請求項６記載の装置（７）。
8. 増幅度調整ユニット（ＡＧＣ）の出力側（４２）は発振器回路（２）の第２の出力信号（ＶＳ）に相応する
   請求項６または７記載の装置（７）。

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