DE2330972A1

DE2330972A1 - Vorrichtung zur messung der dichte, insbesondere von fluessigkeiten und gasen

Info

Publication number: DE2330972A1
Application number: DE2330972A
Authority: DE
Inventors: Otto Prof Dr Kratky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-10-25
Filing date: 1973-06-18
Publication date: 1974-05-02
Also published as: AT331539B; DE2330972B2; FR2208525A5; GB1374935A; JPS4975176A; ATA913272A; DE2330972C3; US3910101A

Description

Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen.

Die }rfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mechanischen Schwingungsgebildes, in dessen Masse die Masse des Meßobjektes enthalten ist, wobei ein vom Schwingungsgebilde beeinflußter mechanisch-elektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem das mechanische Schv/ingungsgebilde beeinflussenden elektro-iaechanischen Wandler verbunden ist.

In der DT-PS 1 648 953 ist eine Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen beschrieben, bei der die Messung der Dichte auf die Bestimmung der Schwingungsdauer eines Biegeschwingers zurückgeführt wird, der mit der zu messenden Substanz' gefüllt ist und der auf elektrischem Wege in seiner Resonanzfrequenz erregt wird. Hierbei ist am Schwingungsgebilde ein Magnetkörper angeordnet, in dessen Feld zwei Spulen vorgesehen

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sind, die über einen Erregerverstärker miteinander verbunden sind. Da zwischen der Dichte γ und der Schwingungsdauer T des mechanischen Schwingungsgebildes die Beziehung

f> = A(T² - B)

besteht, wobei A und B Apparatekonstanten darstellen, ist aus der Schwingungsdauer die Dichte bestimmbar. Auf Grund der gemessenen Schwingungsdauer an zwei Medien bekannter Dichte, z.B. Wasser und Luft, kann für jedes andere Medium die Dichte ermittelt werden.

Da das gesamte Schwingungsgebilde nicht nur aus dem Biegeschwinger allein besteht, sondern auch dessen Befestigung umfaßt, stellt das gesamte Schwingungsgebilde einen Koppelschwinger dar, bei dem im mechanischen Modell die auch die Masse des Präparates, dessen Dichte gemessen werden soll, enthaltende Schwingermasse m mit einer vor allem durch die befestigung des Schwingers gebildeten Gegenmasse M über eine Feder mit einer Federkonstante c verbunden ist.

Zur zielführenden Berechnung der Di <- ite des Meßpräparates auf Grund von zwei Frequenzmessungen, z.B. an Luft und Wasser, ist ein möglichst großes Verhältnis l-l/m erforderlich. Für Genauigkeiten von ca. 10" g/cm muß M/m ^ 10 sein Es hat sich nun gezeigt, daß die Verwirklichung dieses Verhältnisses auf mechanischem Wege nicht möglich ist.

Darüber hinaus beeinflussen auch Temperatureinwirkungen die Dichtemessung.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Lösur. zu finden, mit der die Genauigkeit der Dichtemessung weitgeh, verbessert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die elektronische Einrichtung eine die Phase und die Ampxituc des das Schwingungsgebilde erregenden Signals definiert ändernde Anordnung enthält.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, auf elektrischem Wege eine entsprechende Kompensa-

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tion der in Frage stehenden Komponenten, vor allem des Temperaturkoeffizienten und der Gegenmasse, herbeizuführen, wobei einerseits durch eine Beeinflussung der Federkonstanten c der im Modell die beiden Massen verbindenden Feder auf elektronischem Wege ein Verhaltendes Schwingers erzielt wird, das einem Verhältnis von M/m = «χ» entspricht (Gegenmassenkompensation), anderseits auch der Temperatureinfluß auf die Dichtemessung kompensiert bzw. in gewissen Anwendungsfällen definiert verändert werden kann, indem die ^ederkonstante c auf elektronischem Wege temperaturabhängig beeinflußt wird.

Zur Anregung und Aufrechterhaltung der Schwingung muß auf den Schwinger eine periodische Kraft in Phase mit der Geschwindigkeitsamplitude einwirken, die vom Erregersystem aufgebracht wird. Kräfte in Phase mit der Wegamplitude tragen nicht zur Entdämpfung bei, sondern verändern scheinbar die frequenzbestimmenden Größen c bzw. m. Gemäß der Erfindung wird demnach eine Temperaturkompensation des Schwingers dadurch erreicht, daß die Amplitude dieser periodischen Kraft so temperaturabhängig gesteuert wird, daß sie die temperaturbedingten Veränderungen von Masse und Feder ausgleicht.

Zur Gegenmassenkompensation wird die Amplitude der in Phase mit der Wegamplitude einwirkenden Kraft proportional dem Quadrat der Schwingungsdauer gehalten, wodurch sich für eine beliebige Schwingermasse m (verschiedene Präparatdichten) eine Schwingungsdauer einstellt, die einer unendlichen Gegenmasse M entspricht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei der Einfachheit halber die Anordnung zur Messung der Schwingungsdauer selbst nicht dargestellt ist.

Fig.1 zeigt das prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig.2 eine Vorrichtung mit einem wegabhängigen Wandler und

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Pig.3 eine Vorrichtung mit einem geschwindigkeitsabhängigen Wandler.

Bei der in Fig.1 dargestellten prinzipiellen Anordnung trägt ein das Schwingungsgebilde darstellender Biegeschwinger 1 eine das Meßpräparat enthaltende Hohlkugel 2. Der Biegeschwinger 1 beeinflußt einen mechanischelektrischen Wandler 3, der über eine elektronische Einrichtung 4 zu einem elektrisch-mechanischen Wandler 5 führt, der seinerseits auf den Biegeschwinger 1 einwirkt. Die elektronische Einrichtung 4 weist u.a. einen Verstärker auf, über den ein Rückkopplungskreis geschlossen ist, durch den der Biegeschwinger 1 in seiner Eigenresonanz zu Schwingungen erregt wird. Da die Schwingungsdauer des Biegeschwingers 1 nicht nur von der Dichte des Meßpräparates, sondern insbesondere auch von der Temperatur und der ^röße der Gegenmasse 6 abhängt, enthält die elektronische Einrichtung 4 eine die Phase und die Amplitude des den Biegeschwinger 1 erregenden Signals ändernde Anordnung, durch die die genannten Einflüsse kompensiert werden. Dadurch wird erreicht, daß die sich einstellende Frequenz lediglich durch die Dichte des Meßpräparates bestimmt ist. Sowohl für die Wandler 3,5 als auch für die elektronische Einrichtung 4 können die verschiedensten Anordnungen herangezogen werden. Zwei beispielsweise Möglichkeiten, die sich als vorteilhaft erwiesen haben, sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt.

Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist als mechanisch-elektrischer Wandler eine Lichtschrankenanordnung vorgesehen, bei der der Biegeschwinger 1 eine Blende 7 trägt, die zur Abnahme der Wegamplitude in den auf eine Photodiode 8 gerichteten Strahlengang einer Lichtquelle 9 eintaucht. Die Photodiode 8 liegt am Eingang eines Photoverstärkers 10, dessen Ausgang über drei getrennte Zweige 11,12,13 zu einem Summierverstärker 14 führt, dessen Ausgang mit einer einen elektro-magnetisehen Wandler 15 bildenden Erregerspule verbunden ist, die das durch die

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aus der Blende 7» der Photodiode 8 und der Lichtquelle 9 gebildeten Lichtsehrankenanordnung abgenommene Signal in Form eines elektromagnetischen Wandlers als Kraft dem Biegeschwinger 1 einprägt.

Der Zweig 11 enthält die Reihenschaltung

eines Differentiators 16 und eines Begrenzers 17 und dient der Entdämpfung.

Das gesohwindigkeitsproportionale Signal wird durch Differentiation aus der Wegamplitude gewonnen und zur Konstanthaltung der Amplitude begrenzt.

Der Zweig 12 enthält eine Brückenschaltung 18 mit einem temperaturabhängigen Zweig 19. Die Brückenschaltung 18 ist an einen Brückenverstärker 20 angesehlos-, sen, dessen Ausgang über einen regulierbaren Widerstand 21 zum Summierverstärker 14 führt. Mittels der Brückenschaltung 18 wird ein einer Temperaturabweichung proportionales Signal erzeugt, das über den regulierbaren Widerstand 21 dem Summenpunkt zugeführt wird. Der regulierbare Widerstand 21 erlaubt die Anpassung an den zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten.

Der Zweig 13 enthält die Reihenschaltung zweier Integratoren 22,23 und eines regulierbaren Widerstandes 24, wodurch zur Gegenmaeeenkompensation dqs Wegsignal durch zweimalige Integration proportional dem Quadrat der Schwingungsdauer gemacht und über den regulierbaren Widerstand an den Eingang des Summierverstärkers 14- geführt wird.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Ausführungebeispiel ist als mechanisch-elektrischer Wandler ein magnetdynamisches System 25 vorgesehen, an das ein Verstärker 26 angeschlossen ist, der zur elektronischen Einrichtung 4 führt.

Auch hier besteht die elektronische Einrichtung 4 aus den drei Zweigen 11,12,13, wobei der Zweig 11 der Aufrechterhaltung der Schwingungen, der Zweig 12 der Temperaturkompensation und der Zweig 13 der Gegenmassenkompensation dient.

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Da bei diesem Ausführungsbeispiel in Form des magnet-dynamischen Systems 25 ein geschwindigkeitsabhängiger Wandler vorgesehen ist, ist zur Aufrechterhaltung der Schwingung lediglich ein Begrenzer 27 erforderlich. Für die Temperaturkompensation wird das geschwindigkeitsabhängige Signal über den Integrator 28 der Brückenschaltung 29 mit einem temperaturabhängigen Zweig 30 zugeführt, die über einen Verstärker 31 und einen regulierbaren Widerstand 32 an den Summierverstärker 33 führt. Für die Gegenmassenkompensation weist der Zweig 13 aus dem gleichen Grunde drei Integratoren 34,35»36 auf, die über den regulierbaren Widerstand 37 zum Sunimierverstärker 33 führen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt; so können anstelle der in Fig.2 dargestellten Lichtschrankenanordnung auch andere wegabhängige mechanisch-elektrische Wandler, beispielsweise spannungssteuernd- elektrostatische, piezoelektrische Wandler, Dehnungsmeßstreifen od.dgl« vorgesehen werden,, Desgleichen können anstelle des in Fig.3 dargestellten magnetisch-dynamischen Systems auch andere geschwindigkeitsabhängige mechanisch-elektrische Wandler, beispielsweise stromsteuernd elektrostatische Wandler od.dgl, vorgesehen sein.

Auch anstelle der Erregerspule als elektrisch-mechanischer Wandler 5 können andere Wandler, beispielsweise elektrostatische, magnetostriktive, piezoelektrische od.dgl. Wandler treten.

Desgleichen kann an die Stelle einer temperaturabhängigen Brückenschaltung ein Analog-Multiplikator treten, der das Kompensationssignal mit einer temperaturabhängigen Spannung multipliziert.

Die Messung der Dichte erfolgt, wie erwähnt, durch Messung der Schwingungsdauer, was auf beliebige Weise erfol gen kann, weshalb die diesbezügliche Anordnung in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

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Claims

Patentansprüche

1 J Vorrichtung zur Messung der Dichte, insbesondere von Flüssigkeiten und Gasen, durch die Bestimmung der Eigenfrequenz eines mechanischen Schwingungsgebildes, in dessen Masse die Masse des Meßobjektes enthalten ist, wobei ein vom Schwingungsgebilde beeinflußter mechanischelektrischer Wandler über eine elektronische Einrichtung mit einem das mechanische Schwingungsgebilde beeinflussenden elektromechanischen Wandler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) eine die Phase und die Amplitude des das Schwingungsgebilde (1) erregenden Signals definiert ändernde Anordnung (11,12, 13) enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-elektrischer Wandler (3) ein wegabhängiger Wandler, beispielsweise ein optoelektronischer, spannungssteuernd-elektrostatischer, piezoelektrischer Wandler oder ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen ist, wobei die elektronische Einrichtung (4) zur Entdämpfung einen Zweig (11) aufweist, der einen Differentiator (16) und einen Begrenzer (17) enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen temperaturabhängigen Zweig (12), beispielsweise eine Brükkensehaltung (18), enthält.
4· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch

gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) zur Gegenmassenkompensation einen zwei Integratoren (22,23) enthaltenden Zweig (13) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-elektrischer Wandler (3) ein geschwindigkeitsabhängiger Wandler, beispielsweise ein

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magnetdynamischer Wandler oder ein stromsteuernd elektrostatischer Wandler vorgesehen ist, wobei die elektronische Einrichtung (4) zur Entdämpfung einen Zweig (11) aufweist, der einen Begrenzer (27) enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen temperaturabhängigen Zweig (12), beispielsweise eine Brückenschaltung (29) mit einem Integrator (28) enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) zur Gegenmassenkompensation einen drei Integratoren (34,35,36) enthaltenden Zweig (13) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Zweig (12) zur Einstellung des zu kompensierenden Temperaturkoeffizienten einen regulierbaren Widerstand (21,32) aufweist.
9· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der zur Gegenmassenkompensation vorgesehene Zweig (13) einen regulierbaren Widerstand (37,24) aufweist, der zur Anpassung an die zu kompensierende Gegenmasse dient.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (4) einen Summierverstärker (14,33) enthält, an dessen Eingang die verschiedenen Zweige (11,12,13) angeschlossen sind und der zu dem elektro-mechanischen Wandler (5,15) führt.

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