Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids,
insbesondere einer Flüssigkeit,
bei dem das Fluid in einem eingespannten Messrohr aufgenommen ist
und das mit dem Fluid gefüllte
Messrohr mittels eines Schwingungserregers zum Schwingen angeregt
und mindestens ein Schwingungsparameter mit einem Sensor ermittelt wird,
wobei einer der Schwingungsparameter eine Periode der Schwingung
ist.The
Invention relates to a method for measuring the density of a fluid,
in particular a liquid,
in which the fluid is received in a clamped measuring tube
and that filled with the fluid
Measuring tube excited by means of a vibration exciter to vibrate
and at least one vibration parameter is determined with a sensor,
wherein one of the vibration parameters is a period of the vibration
is.
Es
ist bekannt, dass die Resonanzfrequenz eines flüssigkeitsgefüllten schwingenden
Messrohrs von der Dichte des mit dem Messrohr mitschwingenden Fluids
abhängt.
Durch Messen der Periode eines in Resonanz schwingenden, mit einem
Fluid befüllten Messrohrs
lässt sich
so die Dichte des Fluids im Messrohr angeben. Der Schwingungserreger
versetzt das Messrohr dazu in Schwingungen und führt dem Messrohr während des
Schwingens Energie zu, damit die Schwingung nicht durch Reibungsverluste zum
Stillstand kommt.It
It is known that the resonant frequency of a liquid-filled vibrating
Measuring tube of the density of the resonating with the measuring tube fluid
depends.
By measuring the period of a resonant resonant, with a
Fluid filled measuring tube
let yourself
so specify the density of the fluid in the measuring tube. The vibration generator
causes the measuring tube to vibrate and leads the measuring tube during the
Swinging energy too, so that the vibration is not due to frictional losses
Standstill comes.
Aus
der DE 36 01 085 A1 ist
eine Messanordnung zum Messen der Resonanzfrequenz eines nicht näher spezifizierten
Schwingungssystems mit einem Fluid bekannt. Als Schwingungserreger
für das
Schwingungssystem dient eine Erregerspule, die mit einer periodischen
Spannung beaufschlagt werden kann, so dass durch ein von der Spule
erzeugtes Magnetfeld das Schwingungssystem in Schwingung versetzt
wird. Die Schwingung des Schwingungssystems wird dabei von einem
Sensor in ein dazu proportionales elektrisches Signal umgewandelt.
Das Schwingungssystem schwingt in Resonanz, wenn die Erregerspannung
mit der Schwingung bzw. dem Signal des Sensors um 90° phasenverschoben
ist. Dies wird zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ausgenutzt, indem
die Frequenz der Erregerspannung solange variiert wird, bis das
Signal und die Erregerspannung um 90° phasenverschoben sind und somit
die Resonanzbedingung vorliegt. Als Erregerspannung wird hier eine
oszillierende Rechteckspannung verwendet. Im Resonanzfall kehrt
sich die Erregerspannung nach genau einer halben Schwingungsperiode
des Schwingungssystems um. Aufgrund von einer durch die Schaltung
auftretenden elektronischen Phasenverschiebung des Signals und der
Erregerspannung sowie von endlichen Schaltzeiten/Latenzen der elektronischen
Bauteile in den Schaltungen ergibt sich eine geringfügig von
der eigentlichen Resonanzfrequenz abweichende, gemessene Resonanzfrequenz
des Schwingungssystems, da die Energiezufuhr an das Schwingungssystem nicht
exakt in jedem Nulldurchgang des Schwingungssystems erfolgt. Ferner
haftet diesem System eine endliche Einregelungszeit an. Bei auftretenden Dichteänderungen
wird die Signalfrequenz zwanghaft bei der Erregerfrequenz gehalten.
Es kommt lediglich zu einer Verschiebung der Phasenlage zwischen
Erreger- und Signalfrequenz. Hierauf reagiert die Regelungselektronik
mit einer endlichen Einregelungszeit um die 90°-Phasenverschiebungsbedingung
zu erfüllen.
Während
dieser Einregelungszeit kommt es daher zu fehlerhaften Dichtemessbestimmungen.From the DE 36 01 085 A1 For example, a measuring arrangement is known for measuring the resonant frequency of an unspecified vibration system with a fluid. As a vibration exciter for the vibration system is an excitation coil, which can be acted upon by a periodic voltage, so that is set by a magnetic field generated by the coil, the vibration system in vibration. The vibration of the vibration system is thereby converted by a sensor into a proportional electrical signal. The vibration system resonates when the excitation voltage is phase shifted by 90 ° with the vibration or signal from the sensor. This is used to determine the resonance frequency by varying the frequency of the excitation voltage until the signal and the excitation voltage are phase-shifted by 90 ° and thus the resonance condition is present. As an excitation voltage here an oscillating square wave voltage is used. In the case of resonance, the exciter voltage reverses after exactly half a period of oscillation of the oscillation system. Due to an occurring by the circuit electronic phase shift of the signal and the excitation voltage and finite switching times / latencies of the electronic components in the circuits results in a slightly different from the actual resonant frequency, measured resonant frequency of the vibration system, since the energy supply to the vibration system is not exactly in occurs every zero crossing of the vibration system. Furthermore, this system adheres to a finite settling time. When occurring density changes, the signal frequency is kept compulsive at the exciter frequency. It only comes to a shift in the phase position between excitation and signal frequency. The control electronics then respond with a finite settling time to meet the 90 ° phase shift condition. During this adjustment time, therefore, incorrect density measurement determinations occur.
Aus
der US 4,876,879 ist
ein Verfahren zum Messen der Dichte eines Fluids bekannt, bei dem zwei
parallel angeordnete, U-förmige
Messrohre an einem Tragelement eingespannt sind und zu einer Schwingung
gegeneinander mit einem elektromagnetischen Schwingungserreger angeregt
werden können.
Anders als bei der DE
36 01 085 A1 wird hier die Frequenz der Spannung nicht
von außen
vorgegeben und verändert,
bis die Schwingung und die Spannung 90° phasenverschoben sind, sondern
bei der hier verwendeten Schaltung wird die Erregerspannung beim
Nulldurchgangs der schwingenden Messrohre umgekehrt. Hierdurch wird
das Messrohr für
die Dauer einer halben Periode vom Magnetfeld der Steuerspule angezogen
und nach dem Umpolen für
die Dauer einer halben Periode von dem Magnetfeld abgestoßen. Dies
hat den Vorteil, dass die Frequenz des Erregers automatisch der
Resonanzfrequenz der schwingenden Messrohre entspricht, da die Frequenz
der Erregung durch die Nulldurchgänge der Schwingung der Meßrohre vorgegeben
wird. Bei dieser Schaltung muß die
Erregerfrequenz nicht verändert werden,
bis diese 90° phasenverschoben
zu der Schwingung der Messrohre ist. Daher reagiert dieses Verfahren
auf Dichteänderungen
bedeutend schneller als das aus der DE 36 01 085 A1 bekannte Verfahren. Dennoch
ist auch die derart gemessene Resonanzfrequenz fehlerbehaftet, da
auch hier Latenzzeiten von Bauteilen der Schaltung und Phasenverschiebungen
zwischen der Steuerspannung und dem vom Sensor aufgenommenen Signal
ein Umpolen zum Zeitpunkt des tatsächlichen Nulldurchgangs der
schwingenden Messrohre verhindert. Jede Anregung für eine halbe
Periode erfolgt leicht zeitversetzt nach oder vor dem optimalen
Anregungszeitpunkt des Nulldurchgangs der Meßrohre. Ferner ist die auf die
Meßrohre
wirkende Schwingung nicht sinusförmig,
was ebenfalls eine Fehlerquelle bei der Dichtemessung darstellt.
Desweiteren muß bei
diesem Verfahren das Messrohr magnetisch eindeutig vorgespannt werden,
damit es vom Magnetfeld der Spule sowohl an- als auch abgestossen
werden kann.From the US 4,876,879 a method for measuring the density of a fluid is known in which two parallel, U-shaped measuring tubes are clamped to a support member and can be excited to vibrate against each other with an electromagnetic vibration exciter. Unlike the DE 36 01 085 A1 Here, the frequency of the voltage is not specified from the outside and changed until the vibration and the voltage are 90 ° out of phase, but in the circuit used here, the excitation voltage at the zero crossing of the vibrating measuring tubes is reversed. As a result, the measuring tube is attracted for a period of half a period by the magnetic field of the control coil and repelled after the polarity reversal for a period of half a period of the magnetic field. This has the advantage that the frequency of the exciter automatically corresponds to the resonant frequency of the oscillating measuring tubes, since the frequency of the excitation is determined by the zero crossings of the oscillation of the measuring tubes. In this circuit, the excitation frequency must not be changed until it is 90 ° out of phase with the vibration of the measuring tubes. Therefore, this method responds to density changes significantly faster than that from the DE 36 01 085 A1 known method. Nevertheless, the resonant frequency measured in this way is also faulty, since here too latencies of components of the circuit and phase shifts between the control voltage and the signal picked up by the sensor prevent polarity reversal at the time of the actual zero crossing of the oscillating measuring tubes. Each excitation for half a period is slightly delayed after or before the optimum excitation time of the zero crossing of the measuring tubes. Furthermore, the vibration acting on the measuring tubes is not sinusoidal, which also constitutes a source of error in the density measurement. Furthermore, in this method, the measuring tube must be biased magnetically unambiguously, so that it can be both on and repelled by the magnetic field of the coil.
Aufgabe
der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, bei dem Messfehler
bei der Dichtebestimmung nur in sehr geringem Maß auftreten, insbesondere solche
Meßfehler,
die auf eine zeitverschobene Anregung des Schwingers aufgrund von
Latenzzeiten von elektronischen Bauteilen oder eine nicht sinusförmige Anregung
zurückzuführen sind. Außerdem soll
eine geringe Ansprechzeit auf Dichteänderungen erreicht werden,
um Messfehler aufgrund endlicher Nachregelungszeiten zu minimieren.Object of the invention is to provide a method in which measurement errors in the density determination occur only to a very small extent, in particular those measurement errors that are due to a time-shifted excitation of the vibrator due to latency of electronic components or a non-sinusoidal excitation. In addition, a low response time to density changes should be achieved in order to measure errors due to finite readjustment times.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
das Messrohr zwischen zwei Anregungen durch den Schwingungserreger
mindestens eine Periode lang frei schwingt. Dies hat den Vorteil,
dass das frei schwingende Messrohr trotz einer eventuell leicht
zeitversetzten oder nicht sinusförmigen
Anregung während
einer bestimmten Anregungsdauer nach der Anregung in seine resonante
Schwingung zurückkehren
kann und in dieser Zeitspanne bis zur nächsten Anregung von außen unbeeinflußt mit seiner
wirklichen Resonanzfrequenz schwingt. Das Messrohr schwingt vorzugsweise
zwischen zwei Anregungen des Schwingungserregers mehrere Perioden
lang frei. Dies hat den Vorteil, dass sich ein Messfehler über mehrere
Perioden mittelt und so deutlich verkleinert werden kann. Ferner
kann das so frei schwingen de Messrohr sehr schnell auf eine Dichteänderung
reagieren. Während
der Schwingung kann mit dem Sensor die Auslenkung des Messrohrs
ermittelt werden. Ein bestimmter Punkt der Auslenkung während einer
Periode kann so als Startpunkt der Anregung mit dem Schwingungserreger
ausgewählt
werden. Das Messrohr wird vorzugsweise regelmäßig von dem Schwingungserreger
angeregt. Insbesondere kann das Messrohr regelmäßig in zeitlich festem Abstand
angeregt werden.The
The object is achieved in that
the measuring tube between two excitations by the vibration exciter
vibrates freely for at least one period. This has the advantage
that the free-swinging measuring tube despite a possibly slightly
time-shifted or non-sinusoidal
Stimulation during
a certain amount of excitation after excitation in its resonant
Return vibration
can and in this period until the next stimulus from outside unaffected with his
resonant frequency resonates. The measuring tube preferably swings
between two excitations of the vibrator several periods
long free. This has the advantage that a measurement error over several
Averages averages and thus can be significantly reduced. Further
This allows the measuring tube to vibrate very quickly to a density change
react. While
The vibration can be used with the sensor, the deflection of the measuring tube
be determined. A certain point of deflection during one
Period can thus be used as starting point of excitation with the vibration exciter
selected
become. The measuring tube is preferably regularly from the vibration exciter
stimulated. In particular, the measuring tube can be regularly at a fixed distance
be stimulated.
Mit
dem Sensor kann während
der Schwingung eine Amplitude der Schwingung ermittelt werden. Der
Sensor nimmt dabei vorzugsweise kontinuierlich die Auslenkung des
Messrohrs auf und ermittelt einen Maximalausschlag als Amplitude
der Schwingung zwischen zwei Anregungen. Alternativ zur Anregung
des Messrohrs in einem fest vorgegebenen, zeitlichen Abstand kann
das Messrohr angeregt werden, nachdem die Amplitude unter einen
vorgegebenen Minimalwert abgefallen ist. Dies hat den Vorteil, dass
kein fester zeitlicher Abstand zwischen zwei Anregungen vorgegeben
werden muss, sondern sich der zeitliche Abstand zwischen zwei Anregungen
des Schwingungserregers von selbst regelt. Insbesondere bei Messungen
an Fluiden mit einer inhomogenen Dichteverteilung wird das mit dem
Fluid schwingende Messrohr jeweils im richtigen Zeitpunkt angeregt.With
the sensor can during
the oscillation, an amplitude of the oscillation are determined. Of the
Sensor preferably takes continuously the deflection of the
Measuring tube and determines a maximum amplitude as amplitude
the oscillation between two suggestions. Alternative to stimulation
of the measuring tube in a fixed predetermined time interval can
the measuring tube are excited after the amplitude below a
predetermined minimum value has dropped. This has the advantage that
no fixed time interval between two suggestions given
must be, but the time interval between two suggestions
of the vibration generator regulates by itself. Especially for measurements
On fluids with an inhomogeneous density distribution is the with the
Fluid oscillating tube excited at the right time.
Vorzugsweise
wird ein ferromagnetisches Messrohr verwendet. Das ferromagnetische
Messrohr kann dabei von einer mit einer Spulenspannung beaufschlagbaren
Spule in einem Nulldurchgang der Schwingung angeregt werden. Dies
hat den Vorteil, dass das Messrohr berührungslos von einem durch die
Spulenspannung gesteuertem Magnetfeld angeregt wird. Die Spulenspannung
kann dabei aus einer Rechteckspannung bestehen.Preferably
a ferromagnetic measuring tube is used. The ferromagnetic
Measuring tube can be acted upon by a coil voltage
Coil can be excited in a zero crossing of the oscillation. This
has the advantage that the measuring tube without contact of a through the
Coil voltage controlled magnetic field is excited. The coil voltage
can consist of a rectangular voltage.
Die
Spule wird vorzugsweise über
eine Freilaufdiode und einen Widerstand entladen. Dies hat den Vorteil,
dass zum einen durch Selbstinduktion entstehende Spannungsspitzen über die
Freilaufdiode entladen werden können
und zum anderen bei einem Abschalten der Spulenspannung nach einer
Anregung eine Induktionsspannung in der Spule schnell abgebaut wird
oder jedenfalls die charakteristische Zeitkonstante τ für das Entladen
der Spule klein ist. Die Spule kann insbe sondere für eine Halbperiode der
Schwingung mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden, nachdem
das Messrohr einen Nulldurchgang der Schwingung passiert hat. Nach
dem Abschalten der Spulenspannung wird das von der Spule induzierte
Magnetfeld schnell abgebaut, so dass das Messrohr in der Schwingung
nicht gebremst wird und mindestens eine Periode frei schwingen kann.
Die Änderung
der Spulenspannung erfolgt vorzugsweise so schnell, dass sich das
Magnetfeld im wesentlichen linear auf- und abbaut. Da sich das Magnetfeld
der Spule hierbei nicht umpolt, benötigt dieses Verfahren keine
magnetische Vorspannung des Messrohres.The
Coil is preferably over
discharge a freewheeling diode and a resistor. This has the advantage
that on the one hand by self-induction voltage peaks on the
Free-wheeling diode can be discharged
and on the other hand with a shutdown of the coil voltage after a
Excitation an induction voltage in the coil is rapidly degraded
or at least the characteristic time constant τ for unloading
the coil is small. The coil can in particular special for a half-period of
Be subjected to a DC voltage after vibration
the measuring tube has passed a zero crossing of the oscillation. To
switching off the coil voltage is induced by the coil
Magnetic field quickly degraded, leaving the measuring tube in vibration
is not braked and can vibrate freely for at least one period.
The change
the coil voltage is preferably so fast that the
Magnetic field in a substantially linear manner and degrades. Because the magnetic field
the coil does not reverse polarity, this process requires no
Magnetic bias of the measuring tube.
Durch
die Parallelschaltung der Freilaufdiode der Spule mit dem Widerstand
kann das Magnetfeld schneller abgebaut werden als es aufgebaut wird.
Eine im wesentlichen lineare Anstiegsflanke des Stroms in der Spule
ist somit flacher als eine abfallende Flanke des Stroms beim Entladen
der Spule. Da das Messrohr sinusförmig in Richtung auf die Spule
und von dieser weg schwingt, kann die Energie zum Messrohr in Überlagerung
einer dreiecks- und einer Sinusförmigen
Funktion zugeführt
werden.By
the parallel connection of the freewheeling diode of the coil with the resistor
The magnetic field can be broken down faster than it is built up.
A substantially linear rising edge of the current in the coil
is thus flatter than a falling edge of the current during discharge
the coil. Because the measuring tube is sinusoidal towards the coil
and swinging away from it, the energy to the measuring tube can overlap
a triangular and a sinusoidal
Function supplied
become.
Die
Spulenspannung wird vorzugsweise an eine Maximalamplitude der Schwingung
angepasst, so dass die Maximalamplitude während der Messung im wesentlichen
konstant gehalten wird. Die Maximalamplitude dient dabei als Maß für die mittlere
Auslenkung des Messrohrs. Die Reibungsverluste des schwingenden
Messrohrs hängen
von der Geschwindigkeit ab. Somit können bei einer größeren Auslenkung
bzw. Amplitude des Messrohrs größere Reibungsverluste
auftreten. Ein Vorteil der Regelung der Maximalamplitude ist nun,
dass bei einer Bestimmung der Dichte von Fluiden unterschiedlicher
Viskosität
die Maximalamplitude konstant gehalten werden kann, so dass eine Änderung
der Resonanzfrequenz des schwingenden Messrohres aufgrund einer Änderung
der Amplitude der Schwingung nicht auftreten kann.The
Coil voltage is preferably at a maximum amplitude of the oscillation
adjusted so that the maximum amplitude during the measurement is substantially
is kept constant. The maximum amplitude serves as a measure of the mean
Deflection of the measuring tube. The frictional losses of the vibrating
Hang measuring tube
from the speed. Thus, at a greater deflection
or amplitude of the measuring tube greater friction losses
occur. An advantage of the regulation of the maximum amplitude is now,
that when determining the density of fluids different
viscosity
the maximum amplitude can be kept constant, so that a change
the resonant frequency of the oscillating measuring tube due to a change
the amplitude of the oscillation can not occur.
Die
Temperatur des Messrohrs und/oder des Fluids wird vorzugsweise mit
Hilfe eines Temperaturfühlers
gemessen. Das Messrohr und/oder das Fluid können zweckmäßig mittels einer Temperiereinrichtung
auf eine bestimmte Temperatur geregelt werden. Dadurch lässt sich
die Dichte in Abhängigkeit von
der Temperatur eines bestimmten Fluids ermitteln bzw. Temperatureinflüsse bei
der Dichtebestimmung lassen sich ausschalten.The
Temperature of the measuring tube and / or the fluid is preferably with
Help of a temperature sensor
measured. The measuring tube and / or the fluid can expediently be by means of a tempering device
be regulated to a certain temperature. This can be done
the density depending on
determine the temperature of a particular fluid or temperature influences
The density determination can be switched off.
Ein
Momentanwert der Spulenspannung und/oder der Amplitude kann mit
einem Kontrollwert der Spulenspannung und/oder der Amplitude verglichen
werden. Ablagerungen im Meßrohr
oder Fremdkörper
in dem Fluid können
zu stärkeren
Reibungsverlusten führen,
wodurch die Spulenspannung erhöht
werden muß,
um den Energieverlust durch Reibung zu kompensieren. Ein veränderter Wert
der Spulenspannung kann so auf eine mögliche Ablagerung oder eine
kurzzeitige Verschmutzung durch Fremdkörper in der Flüssigkeit
hinweisen. Für den
dazu erforderlichen Vergleich kann ein Vergleichswert der Spulenspannung
einmalig oder zu Beginn einer jeden Messung gespeichert werden und dann
mit dem Momentanwert der Spulenspannung verglichen werden. Durch
den Vergleich kann so die Funktionsfähigkeit der Dichtemessvorrichtung überprüft werden.
Es kann auch ein Kontrollwert für
ein unbefülltes,
frei schwingendes Messrohr mit einem Momentanwert verglichen werden,
um zu überprüfen, ob
das Messrohr frei von Fremdkörpern
ist, die eine Messung beeinträchtigen
könnten.One
Instantaneous value of the coil voltage and / or the amplitude can with
a control value of the coil voltage and / or the amplitude compared
become. Deposits in the measuring tube
or foreign bodies
in the fluid can
to stronger ones
Cause friction losses,
which increases the coil voltage
must become,
to compensate for the energy loss due to friction. A changed value
the coil voltage can thus on a possible deposit or a
short-term contamination by foreign bodies in the liquid
clues. For the
For comparison required, a comparison value of the coil voltage
be saved once or at the beginning of each measurement and then
be compared with the instantaneous value of the coil voltage. By
the comparison can be checked so the functionality of the density measuring device.
It can also be a control value for
an unfilled,
freely oscillating measuring tube are compared with an instantaneous value,
to check if
the measuring tube free of foreign bodies
is that affect a measurement
could.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnungen, worin eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert wird. Es zeigt:Further
Features and advantages of the invention will become apparent from the following
Description and drawings, wherein a preferred embodiment
the invention is explained in more detail with reference to an example. It shows:
1 eine
erfindungsgemäße Dichtemessvorrichtung
mit einem Messrohreinsatz in einem Vertikalschnitt; 1 a density measuring device according to the invention with a measuring tube insert in a vertical section;
2 eine
abgewandelte Dichtemessvorrichtung nach der Erfindung mit einem
anderen Messrohreinsatz in einer 1 entsprechenden
Darstellung; und 2 a modified density measuring device according to the invention with a different measuring tube insert in one 1 corresponding representation; and
3 einen
elektrischen Schaltplan zur Ansteuerung der Erregerspule in der
Dichtemessvorrichtung nach den 1 und 2. 3 an electrical circuit diagram for controlling the excitation coil in the density measuring device according to the 1 and 2 ,
In 1 ist
mit 1 eine Dichtemessvorrichtung für Flüssigkeiten bezeichnet, wie
sie beispielsweise zur Bestimmung der Dichte von Kraftstoffen in
Motorenprüfständen eingesetzt
wird.In 1 is with 1 a density measuring device for liquids referred to, as used for example for determining the density of fuels in engine test stands.
Die
Dichtemessvorrichtung weist ein sehr massiv ausgestaltetes Tragelement 10 auf,
das im Wesentlichen aus einem unteren Geräteblock 10a mit einem
darin angeordneten, umlaufenden Flüssigkeitskanal 13 und
einer oberen Abdeckplatte 12 besteht, die den Flüssigkeitskanal
bis auf einen Flüssigkeitszulauf 12b und
einen Flüssigkeitsablauf 12c verschließt. Über den
Flüssigkeitszulauf 12b und
den Flüssigkeitsablauf 12c kann
eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit
durch den Flüssigkeitskanal 13 geleitet
werden, um das Tragelement 10 zu temperieren, wie dies
nachfolgend noch im Detail beschrieben wird.The density measuring device has a very solid designed support element 10 on, essentially from a lower device block 10a with a circulating fluid channel disposed therein 13 and an upper cover plate 12 consists of the liquid channel except for a liquid feed 12b and a liquid drain 12c closes. About the fluid inlet 12b and the fluid drain 12c can pass a heating or cooling fluid through the fluid channel 13 be routed to the support element 10 to temper, as will be described in detail below.
Das
Tragelement 10 besteht bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
aus Stahl und hat aufgrund seiner Abmessungen eine vergleichsweise große Trägheitsmasse.
Es ist in nicht näher
dargestellter Weise an einer Halterung mittels Schrauben befestigt,
die seitlich in Gewindebohrungen 17 am Geräteblock
eingeschraubt sind.The support element 10 consists in the preferred embodiment of steel and has a comparatively large inertial mass due to its dimensions. It is fastened in a manner not shown on a holder by means of screws, the side in threaded holes 17 are screwed to the device block.
Das
Tragelement 10 ist mit einer die Abdeckplatte 12 und
den Geräteblock 10a axial
durchsetzenden, zentrischen Stufenbohrung 11 versehen,
deren unterer Abschnitt 11b einen geringeren Durchmesser aufweist
als der obere Bohrungsabschnitt 11a im Geräteblock
und 12a in der Abdeckplatte. In diese Stufenbohrung 11 ist
von der Oberseite der Vorrichtung ein zylindrischer Anschlusseinsatz 40 eingesteckt, der
eine Zuleitung 51 und eine Ableitung 52 für das Fluid
aufweist, dessen Dichte mit der Dichtemessvorrichtung bestimmt werden
soll. Die Anordnung ist so getroffen, dass der Anschlusseinsatz 40 mit
seinem unteren, stirnseitigen Ende 41 sich an der von der Stufenbohrung 11 gebildeten
Stufe am Übergang zum
unteren Abschnitt 11b abstützt und gegenüber dieser
mit einer Dichtung 15 abgedichtet ist.The support element 10 is one with the cover plate 12 and the device block 10a axially penetrating, centric stepped bore 11 provided, whose lower section 11b has a smaller diameter than the upper bore portion 11a in the device block and 12a in the cover plate. In this stepped bore 11 From the top of the device is a cylindrical connector insert 40 plugged in, which is a supply line 51 and a derivative 52 for the fluid whose density is to be determined by the density measuring device. The arrangement is such that the connection insert 40 with its lower, frontal end 41 at the of the stepped bore 11 formed stage at the transition to the lower section 11b supports and opposite this with a seal 15 is sealed.
Im
unteren Abschnitt 11b ist ein zum Anschlusseinsatz 40 hin
offenes Sackrohr 5, welches am offenen Ende einen Flansch 16 aufweist
einseitig fest eingespannt, wobei das Sackrohr 5 vom Geräteblock 10a ein
Stück weit
nach unten vorragt. Die Einspannung des Sackrohrs im Geräteblock
mit Hilfe seines Flansches 16 ist gasdicht. Das Sackrohr 5 steht
mit der Zuleitung 51 und der Ableitung 52 in Verbindung,
wobei ein unten vom Anschlusseinsatz 40 ein Stück weit
in das Sackrohr 5 hineinragender Leitsteg das Sackrohr
an dessen oberen Bereich in einen Zulauf 43 und einen Ablauf 44 unterteilt.In the lower section 11b is one to the connection insert 40 open sack tube 5 , which at the open end a flange 16 has one side firmly clamped, wherein the sack tube 5 from the device block 10a protrudes a little way down. The clamping of the blind tube in the device block with the help of its flange 16 is gas-tight. The sack tube 5 stands with the supply line 51 and the derivative 52 in conjunction with one below from the connection insert 40 a little way into the sack tube 5 protruding guide bar the sack tube at its upper part in an inlet 43 and a process 44 divided.
Mit
seinem unteren, nach unten vom Geräteblock 10a vorkragenden
Abschnitt ragt das Sackrohr 5 in ein Messkammergehäuse 30 hinein,
das in geeigneter Weise an der Unterseite des Geräteblocks 10a befestigt
und gegenüber
diesem mit einer schallweichen Trennschicht 15 versehen
ist. In das Messkammergehäuse 30 ragt
seitlich ein U-förmiger
Elektromagnet 45 hinein, wobei die beiden Schenkel 45a,
b des Magnetankers so nahe an das aus einem ferromagnetischen Material
bestehende Sackrohr 5 heranreichen, dass bei Beaufschlagung der
Spule 46 des Elektromagneten 45 mit Strom die hierdurch
erzeugte Kraft auf das untere, freie Ende des Sackrohres im Messkammergehäuse wirkt
und dieses anzieht.With its lower, down from the device block 10a protruding section protrudes the sack tube 5 in a measuring chamber housing 30 into it, suitably at the bottom of the device block 10a attached and opposite to this with a soundproof separating layer 15 is provided. Into the measuring chamber housing 30 protrudes laterally a U-shaped solenoid 45 into it, with the two legs 45a , b of the magnet armature so close to the existing of a ferromagnetic material of a sack tube 5 come close to that when applying the coil 46 of the electromagnet 45 with current the force thus generated acts on the lower, free end of the sack tube in the measuring chamber housing and attracts this.
Nahe
der Einspannung des Sackrohres 5 knapp unterhalb seines
Flansches 16 sind an der Außenseite des Sackrohrs zwei
Dehnungsmessstreifen 6 einander gegenüberliegend angeordnet, und
zwar quer zu der in der Zeichnungsebene liegenden Schwingungsebene
des Rohrs 5. Nahe seines unteren Endes ist das Sackrohr
zusätzlich
mit einem Temperaturfühler 7 versehen,
mit dessen Hilfe die Temperatur des Sackrohres und somit während eines Messvorgangs
auch die Temperatur des im Sackrohr befindlichen Fluides ermittelt
werden kann.Near the clamping of the blind tube 5 just below its flange 16 are on the outside of the sack tube two strain gauges 6 arranged opposite each other, and that transverse to the lying in the plane of the plane of vibration of the tube 5 , Near his bottom Finally, the sack tube is additionally equipped with a temperature sensor 7 provided with the aid of which the temperature of the blind tube and thus during a measuring operation, the temperature of the fluid located in the sack tube can be determined.
Wie 1 gut
erkennen lässt,
ist das Messkammergehäuse 30 zusätzlich mit
einem Schalldeflektor 33 versehen, der vom Messkammerboden nach
oben in die vom Messkammergehäuse 30 umschlossene
Messkammer 31 hineinragt und sich dabei parallel zum Sackrohr 5 bis
nahe an die Unterseite des Geräteblocks 10a hin
erstreckt.As 1 is easy to recognize, is the measuring chamber housing 30 additionally with a sound deflector 33 provided from the bottom of the measuring chamber into the top of the measuring chamber housing 30 enclosed measuring chamber 31 protrudes and is parallel to the sack tube 5 to near the bottom of the device block 10a extends.
Die
soweit beschriebene Dichtemessvorrichtung 1 funktioniert
wie folgt:
Die Flüssigkeit,
deren Dichte mit Hilfe der Dichtemessvorrichtung bestimmt werden
soll wird über
einen an der Zuleitung 51 angeschlossenen Schlauch zugeführt, gelangt über den
Zulauf 43 in das Sackrohr 5, aus dem sie über den
Ablauf 44 mittels eines weiteren, an der Ableitung 52 angeschlossenen Schlauches
wieder abgezogen wird. Zur Bestimmung der Dichte der im Sackrohr 5 befindlichen
Flüssigkeit
wird dieses mit Hilfe des Elektromagneten 45 in Schwingung
versetzt. Dabei ist die sich einstellende Resonanzfrequenz des mit
der Flüssigkeit
befüllten
Rohres 5 ein Wert für
die Dichte der Flüssigkeit. Resonanzfrequenz
und Dichte der Flüssigkeit
stehen in einem proportionalen Zusammenhang, so dass mit Hilfe eines
Proportionalitätsfaktors
aus der Resonanzfrequenz des flüssigkeitsbefüllten Rohrs
die Dichte bestimmt werden kann. Die besondere Ausgestaltung des
Messrohres als Sackrohr, das bei ausreichend großer Länge des schwingenden, unten vom
Tragelement vorragenden Abschnittes ein vergleichsweise geringes
Volumen aufweist, gewährleistet
bei der Erfindung innerhalb sehr kurzer Zeit einen vollständigen Austausch
der im Sackrohr befindlichen Flüssigkeitsprobe,
der durch die sich am Leitsteg 42 ausbildenden, gerichteten
Flüssigkeitsströmung und
der hierdurch erzielten guten Flüssigkeitsverwirbelung
im Sackrohr noch begünstigt
wird. Auch bei nur geringen Durchflussraten, wie sie bei beispielsweise
bei Motorenprüfständen häufig vorkommen,
wird durch die erfindungsgemäße Anordnung sichergestellt,
dass die Flüssigkeit
im Messrohr schnell und vollständig
ausgetauscht wird und Dichteänderungen
bei der Flüssigkeit,
die durch die Dichtemessvorrichtung strömt, sehr zeitnah festgestellt werden
können.
Der vergleichsweise große
Innendurchmesser des Sackrohres 5 stellt sicher, dass dieses
nur einen geringen Durchflusswiderstand hat, so dass die Dichtemessvorrichtung
auch bei einem großen
Flüssigkeitsdurchsatz
ohne Bypass z.B. direkt in einer Kraftstoffleitung eines Motorenprüfstandes
angeordnet sein kann.The density measuring device described so far 1 works as follows:
The liquid whose density is to be determined by means of the density measuring device is connected to the supply line 51 connected hose, passes through the inlet 43 in the sack tube 5 from which they are about the expiration 44 by means of another, at the derivative 52 connected hose is withdrawn again. To determine the density of the sack tube 5 This liquid is with the help of the electromagnet 45 vibrated. Here is the self-adjusting resonance frequency of the filled with the liquid pipe 5 a value for the density of the liquid. Resonance frequency and density of the liquid are in a proportional relationship, so that the density can be determined by means of a proportionality factor from the resonance frequency of the liquid-filled tube. The particular configuration of the measuring tube as a sack tube, which has a comparatively small volume at a sufficiently large length of the oscillating, projecting down from the support member section, ensures in the invention within a very short time a complete replacement of the liquid located in the sack tube fluid sample by the at the Leitsteg 42 training, directed liquid flow and thus achieved good fluid swirling in the sack tube is still favored. Even with only low flow rates, as frequently occur in motor test benches, for example, it is ensured by the arrangement according to the invention that the liquid in the measuring tube is exchanged quickly and completely and density changes in the liquid flowing through the density measuring device can be detected very promptly. The comparatively large inner diameter of the sack tube 5 ensures that this has only a low flow resistance, so that the density measuring device can be arranged even in a large liquid flow rate without a bypass, for example, directly in a fuel line of a motor test bench.
Wie
bereits angeordnet, wird zur Bestimmung der im Sackrohr befindlichen
Flüssigkeit
dieses von dem Elektromagneten 45 zum Schwingen angeregt.
Das im Wesentlichen von dem Geräteblock
und der Abdeckplatte gebildete Tragelement 10 mit seiner
im Vergleich zu dem kleinen Sackrohr 5 großen Trägheitsmasse
dient dem Sackrohr dabei als Widerlager, ohne selbst mitzuschwingen.
Wird die Spule 46 des Elektromagneten 45 bestromt,
zieht das hierdurch erzeugte Magnetfeld das Sackrohr 5 an
und versetzt es mit dem darin befindlichen Fluid in Schwingung.
Die Anregung erfolgt dabei lediglich für jeweils eine halbe Schwingungsperiode,
d. h. nach einer Anregung durch den Elektromagneten schwingt das
Sackrohr 5 mit der darin befindlichen Flüssigkeit für einige
Schwingungsperioden frei mit der Resonanzfrequenz des aus Sackrohr
und Flüssigkeit
bestehenden Schwingungssystems, wobei diese Resonanzfrequenz mit
Hilfe der beiden Dehnungsmessstreifen 26 und einer (nicht
dargestellten) Auswerteelektronik ermittelt und aufgrund der ermittelten
Eigenfrequenz dann die Dichte des im Sackrohr befindlichen Fluids
bestimmt wird.As already arranged, this is determined by the electromagnet for determining the liquid contained in the sack tube 45 excited to swing. The support element formed essentially by the device block and the cover plate 10 with its compared to the small sack tube 5 large inertial mass serves the sack tube as an abutment, without swinging yourself. Will the coil 46 of the electromagnet 45 energized, the magnetic field generated thereby pulls the sack tube 5 and vibrates it with the fluid therein. The excitation takes place only for each half a period of oscillation, that is, after an excitation by the electromagnet, the sack tube oscillates 5 with the liquid therein for a few periods of oscillation free with the resonant frequency of the existing sack tube and liquid vibration system, said resonant frequency using the two strain gauges 26 and a (not shown) evaluation determined and then determines the density of the fluid located in the sack tube due to the determined natural frequency.
Das
aus lediglich einem einzelnen Sackrohr bestehende Messrohr reagiert
sehr präzise
und schnell nicht nur auf Dichteänderungen
der es durchströmende
Flüssigkeit,
sondern auch auf unterschiedliche Dichteverteilungen der Flüssigkeit
innerhalb des Messrohres. Anders als beispielsweise ein U-förmiges Messrohr,
bei dem insbesondere bei geringen Durchflussraten die Flüssigkeit
in den beiden Messrohrschenkeln eine unterschiedliche Dichte haben
bzw. annehmen kann, was zu unterschiedlichen Einzelfrequenzen der
beiden Messrohrschenkel und dadurch zu einem Driften der gemeinsamen
Resonanzfrequenz des ganzen U-förmigen
Messrohres führt,
kommt es bei der Erfindung mit dem aus nur einem Schwingungsrohr
bestehenden Sackrohr auch bei einer inhomogenen Befüllung prinzipbedingt
nicht zum Driften, da die Resonanzfrequenz hier nur durch ein einziges
Rohr entsteht und nicht wie beispielsweise bei einem U-förmigen Messrohr
durch eine Kopplung mehrerer Schwingungssysteme. Selbst bei einer
inhomogenen Dichteverteilung im Sackrohr, wie sie in Einzelfällen bei
sehr geringen Durchflussraten auftreten kann, wird mit der Erfindung
eine Resonanzfrequenz gemessen, die den Mittelwert der inhomogenen
Dichteverteilung zuverlässig
widerspiegelt.The
from only a single sack tube existing measuring tube responds
very precise
and not just fast on density changes
the one flowing through it
Liquid,
but also on different density distributions of the liquid
inside the measuring tube. Unlike, for example, a U-shaped measuring tube,
in particular at low flow rates, the liquid
have a different density in the two measuring tube legs
or can accept, what at different individual frequencies of the
Both Meßrohrschenkel and thereby drifting the common
Resonant frequency of the whole U-shaped
Leads measuring tube,
it comes in the invention with that of only one vibration tube
existing blind tube, even with an inhomogeneous filling principle
not for drifting, since the resonance frequency here only by a single
Pipe is formed and not as for example in a U-shaped measuring tube
by coupling several vibration systems. Even with one
Inhomogeneous density distribution in the blind tube, as in individual cases
Very low flow rates can occur with the invention
measured a resonant frequency, which is the mean of the inhomogeneous
Density distribution reliable
reflects.
Die
mit der Erfindung anstelle eines Piezoaufnehmers erstmalig zum Einsatz
kommenden Dehnungsmessstreifen 6 haben sich als besonders
vorteilhaft für
die Bestimmung der Resonanzfrequenz des schwingenden Sackrohres
erwiesen, da sie das Sackrohr in seinem Schwingungsver halten anders als
Piezoaufnehmer nicht negativ beeinflussen, ja tatsächlich sogar
zu einer Stabilisierung der Schwingung beitragen und Pendelbewegungen
des Sackrohres durch dessen ungewollte Auslenkung senkrecht zur
Schwingungsebene wirksam unterbinden. Bei Verwendung eines Piezoaufnehmers
wird aufgrund seiner Formsteifigkeit das Sackrohr am Befestigungspunkt
versteift, wodurch das Sackrohr zu Pendelbewegungen rechts und linksseitig
zum Befestigungspunkt neigt. Die Dehnungsmessstreifen sind als T-Rosetten-DMS
ausgestaltet und zu einer Vollbrücke
verschaltet, an der das Schwingungssignal mittels eines (nicht dargestellten)
Differenzverstärkers
abgenommen wird. Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen als Messwertaufnehmer
wird möglich
durch den im Vergleich zu anderen Messrohrbauarten vergleichsweise
großen
(Außen-) Durchmesser
des Sackrohres, der jedenfalls größer ist als 6 mm, was der Mindestdurchmesser
für eine zuverlässige Anbringung
von Dehnungsmessstreifen an Bauteilen mit kreisförmigen Querschnitt ist. Tatsächlich beträgt sogar
der Aussendurchmesser des Rohres bei dem dargestellten und bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung mindestens 8 mm, während die für die Dichtebestimmung wirksame Länge des
Sackrohres (also der frei vom unteren Ende des Tragelementes vorragende
Sackrohrteil) circa 25 mm beträgt.The strain gauges for use for the first time with the invention instead of a piezo pickup 6 have proven to be particularly advantageous for the determination of the resonant frequency of the oscillating sack tube, as they hold the sack tube in his Schwingungsver other than piezoelectric sensor does not adversely affect, indeed actually contribute to a stabilization of the vibration and oscillations of the sack tube by its unwanted deflection perpendicular to the vibration level effectively prevent. When using a piezo pickup is on Because of its stiffness stiffens the sack tube at the attachment point, whereby the sack tube tends to pendulum movements right and left side to the attachment point. The strain gauges are designed as a T-rosette strain gauge and connected to a full bridge, at which the vibration signal is picked up by means of a differential amplifier (not shown). The use of strain gauges as transducers is made possible by the comparatively large (outer) diameter of the sack tube, which is greater than 6 mm in comparison to other types of measuring tubes, which is the minimum diameter for a reliable attachment of strain gauges to components with a circular cross-section. In fact, even the outer diameter of the tube in the illustrated and preferred embodiment of the device is at least 8 mm, while the effective for the density determination length of the blind tube (ie, the free projecting from the lower end of the support element Sackrohrteil) is approximately 25 mm.
Durch
das schwingende Sackrohr 5 wird auch die in der Messkammer 31 befindliche
Luft zum Schwingen angeregt. Die entstehenden Luftschallwellen werden
an dem symmetrisch zur Schwingungsebene angeordneten Schalldeflektor 33 gedämpft und
teilweise zum Sackrohr 5 reflektiert. Da der Schalldeflektor
parallel zum Sackrohr 5 und symmetrisch zu dessen Schwingungsebene
ausgerichtet ist, treffen die zurückgeworfenen Luftschallwellen auch
symmetrisch wieder am Sackrohr 5 auf, wodurch sie sich
teilweise auslöschen
können.
Die vom Deflektor reflektierten Luftschallwellen treffen im Allgemeinen
unter einem stumpfen Winkel zur Schwingungsebene wieder am Sackrohr
auf, wodurch dieses in seiner freien Schwingung wenn überhaupt
nur sehr wenig beeinflusst wird. Unerwünschte Luftschallkopplungen,
die in Abhängigkeit
von der Lufttemperatur die Schwingung Sackrohres 5 beeinflussen
und das Messergebnis verfälschen
könnten, werden
mit Hilfe des Schalldeflektors im Messkammergehäuse somit weitestgehend unterbunden.Through the swinging sack tube 5 will also be in the measuring chamber 31 Air is excited to vibrate. The resulting airborne sound waves are at the symmetrical to the vibration plane arranged Schalldeflektor 33 steamed and partially to the sack tube 5 reflected. Because the sound deflector parallel to the sack tube 5 and aligned symmetrically to the plane of vibration, the reflected airborne sound waves also meet symmetrically back to the sack tube 5 on which they can partially extinguish themselves. The airborne sound waves reflected by the deflector generally strike the sack tube again at an obtuse angle to the plane of oscillation, whereby it influences its free vibration, if at all, only very little. Undesirable airborne sound couplings, depending on the air temperature, the vibration of the sack tube 5 could affect and distort the measurement result, thus largely prevented by means of the sound deflector in the measuring chamber housing.
Die
Schwingungen des fest im Tragelement 10 eingespannten Sackrohrs 5 breiten
sich auch als Körperschall
in der Vorrichtung aus. Dieser Körperschall
kann dabei derart ungünstig
reflektiert werden, dass er wieder zum Sackrohr 5 zurückläuft und
sich mit der Resonanzschwingung des Rohres überlagert, was zu Fehlmessungen
führen
würde.
Um diese Gefahr zu eliminieren, sind die einzelnen Bestandteile der
Vorrichtung, nämlich
der Geräteblock 10a,
die Abdeckplatte 12, der Anschlusseinsatz 40 und
das Messkammergehäuse 30 jeweils
unter Zwischenlage von schallweichen Trennschichten 15 aneinander
angebaut, die nicht nur für
einen flüssigkeitsdichten bzw.
gasdichten Anschluss der Teile aneinander sorgen, sondern die auch
wirksam verhindern, dass sich Körperschallwellen
von einem Bestandteil der Vorrichtung ungehindert in einen anderen
fortsetzen können.
Auch der besondere konstruktive Aufbau der Vorrichtung, nämlich die
konzentrische Ausgestaltung des aus Geräteblock 10a und Abdeckplatte 12 bestehenden
Tragelements, des Anschlusseinsatzes 40 und des Messkammergehäuses 30 tragen
wirksam zu einer Verringerung der Reflexion von Körperschall
in der Vorrichtung bei. Ferner haben sich zu diesem Zweck an den
umlaufenden Kanten des Geräteblocks 10a und
der Abdeckplatte 12 durch Abschrägen ausgebildete Reflexionsflächen 14 als günstig erwiesen,
die unter einem Winkel von etwa 45° zur Horizontalen geneigt sind
und die wirksam zu einer Eliminierung des Einflusses von Körperschall auf
das Messergebnis beitragen.The vibrations of the fixed in the support element 10 clamped sack tube 5 also propagate as structure-borne noise in the device. This structure-borne noise can be reflected so unfavorably that he is back to the sack tube 5 runs back and overlaps with the resonance vibration of the tube, which would lead to incorrect measurements. To eliminate this risk, the individual components of the device, namely the device block 10a , the cover plate 12 , the connection insert 40 and the measuring chamber housing 30 each with the interposition of soundproof separating layers 15 attached to each other, not only provide for a liquid-tight or gas-tight connection of the parts together, but also effectively prevent the structure-borne sound waves from one component of the device can continue unhindered in another. Also, the special structural design of the device, namely the concentric design of the device block 10a and cover plate 12 existing support element, the connection insert 40 and the measuring chamber housing 30 effectively contribute to a reduction in the reflection of structure-borne noise in the device. Further, for this purpose, at the peripheral edges of the device block 10a and the cover plate 12 beveled reflecting surfaces 14 Proved to be favorable, which are inclined at an angle of about 45 ° to the horizontal and effectively contribute to the elimination of the influence of structure-borne noise on the measurement result.
Das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtemessvorrichtung
soll die Dichtemessung bei möglichst
konstanter Flüssigkeitstemperatur
ermöglichen,
d.h. die über
die Zuleitung 51 zugeleitete Flüssigkeit soll möglichst über die Ableitung 52 mit
gleicher Temperatur wieder aus der Vorrichtung abgezogen werden
und die Dichtebestimmung soll auch bei dieser Temperatur erfolgen. Insbesondere
bei sehr geringen Durchflussraten konnte es bei bislang bekannten
Dichtemessvorrichtungen aber leicht zu einer Änderung der Flüssigkeitstemperatur
in der Vorrichtung kommen, nämlich wenn
das Messrohr bzw. die dieses tragende Apparatur merklich wärmer oder
kälter
als die zugeführte Flüssigkeit
war. Insbesondere bei Motorenprüfständen, bei
denen häufig
hohe Umgebungstemperaturen herrschen, war eine Erwärmung des über die Dichtemessvorrichtung
geleiteten Kraftstoffes häufig zu
verzeichnen, was die Dichtebestimmung ungenau machte.This in 1 shown embodiment of the density measuring device according to the invention is intended to allow the density measurement at the most constant liquid temperature, ie via the supply line 51 supplied liquid should preferably via the discharge 52 be withdrawn at the same temperature again from the device and the density determination should also be done at this temperature. Especially with very low flow rates, it was easy to change the liquid temperature in the device in previously known density measuring devices, namely when the measuring tube or the apparatus carrying it was markedly warmer or colder than the liquid supplied. Particularly in engine test benches, where high ambient temperatures often prevail, heating of the fuel passed through the density measuring device was frequently recorded, which made the density determination inaccurate.
Um
eine Temperaturänderung
der durch die Dichtemessvorrichtung beströmenden Flüssigkeit zu vermeiden oder
jedenfalls auf ein Minimum zu reduzieren, ist zum einen der Anschlusseinsatz 40 aus
einem wärmeisolierenden
Material hergestellt, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel aus Polyoximethylen
(POM), zum anderen ist mit dem im Geräteblock 10a angeordneten
Flüssigkeitskanal 30,
durch den hindurch ein Kühl-
oder Heizmittel geleitet werden kann, eine Möglichkeit geschaffen, das Tragelement zu
temperieren. Dabei wird gar nicht notwendigerweise angestrebt, dass
Tragelement mit dem darin eingesetzten Anschlusseinsatz und den übrigen Bestandteilen
der Dichtemessvorrichtung auf die Temperatur einzuregeln, mit der
die Flüssigkeit
der Vorrichtung über
die Zuleitung 51 zugeführt
wird, sondern es reicht aus, die Vorrichtung auf eine Temperatur
einzustellen, die möglichst
wenig von der Temperatur der zugeführten Flüssigkeit abweicht, so dass der
Temperaturgradient von Flüssigkeitstemperatur zur
Temperatur der Dichtemessvorrichtung allenfalls gering ist und somit
aufgrund des geringen Temperaturgradienten und des geringen Wärmedurchgangskoeffizienten
des aus wärmeisolierenden
Material bestehenden Anschlusseinsatzes ein Wärmeaustausch stattfindet, der
so niedrig ist, dass er zu keiner nennenswerten Temperaturerhöhung der
durch die Vorrichtung strömenden
Flüssigkeit
führt,
selbst wenn die Durchflussrate nur sehr gering und die Umgebungstemperatur,
in der sich die Dichtemessvorrichtung befindet, groß ist.In order to avoid a temperature change of the liquid flowing through the density measuring device or at least to reduce to a minimum, on the one hand, the connection insert 40 made of a heat-insulating material, in the preferred embodiment of polyoxymethylene (POM), on the other hand with the in the device block 10a arranged liquid channel 30 , through which a cooling or heating means can be passed, created a possibility to temper the support element. In this case, it is by no means desired that the support element, with the connection insert inserted therein and the remaining components of the density measuring device, should be adjusted to the temperature with which the liquid of the device flows via the supply line 51 is supplied, but it is sufficient to set the device to a temperature which deviates as little as possible from the temperature of the liquid supplied, so that the temperature gradient of liquid temperature to the temperature of the density measuring device is at most low and thus due to the low temperature a heat exchange takes place which is so low that it does not lead to a significant increase in the temperature of the liquid flowing through the device, even if the flow rate is very low and the ambient temperature at which the density measuring device is located, is big.
Während bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform die Vorrichtung
mittels durch den Flüssigkeitskanal
strömenden
Wärme-
oder Kältemittels auf
eine möglichst
gleichbleibende, nahe der Temperatur der Flüssigkeit liegenden Temperatur
eingestellt wird, dient er bei der in 2 dargestellten
Ausführungsform
bewusst dazu, verschiedene Temperaturzustände der Dichtemessvorrichtung
herbeizuführen. Die
in 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung dient
dazu, die Dichte eines stationären
Probevolumens einer Flüssigkeit
zu bestimmen und zwar insbesondere bei verschiedenen Flüssigkeitstempe raturen,
um die Abhängigkeit
der Dichte einer Flüssigkeit
wie beispielsweise Kraftstoff von der Temperatur zu bestimmen und
die so gewonnenen Werte beispielsweise als Korrekturwerte bei der
kontinuierlichen Dichtebestimmung nach dem zuvor beschriebenen Verfahren
zu berücksichtigen.While at the in 1 embodiment shown, the device is adjusted by means of flowing through the liquid channel heat or refrigerant to a constant as possible, close to the temperature of the liquid temperature, it serves in the in 2 embodiment shown intentionally to bring about different temperature conditions of the density measuring device. In the 2 illustrated embodiment of the invention serves to determine the density of a stationary sample volume of a liquid, in particular at different liquid Tempe temperatures to determine the dependence of the density of a liquid such as fuel on the temperature and the values thus obtained, for example, as correction values in the continuous Density determination according to the method described above.
Wie
die Figuren leicht erkennen lassen, unterscheidet sich die Vorrichtung
nach 2 von der nach 1 im Wesentlichen
durch die Ausgestaltung des Anschlusseinsatzes, der bei der Ausführungsform
nach 2 als Analyseeinheit 60 ausgebildet ist,
die zur Aufnahme eines Probevolumens einer Flüssigkeit dient, die also nicht
von einer Flüssigkeit durchströmt wird.
Die Analyseeinheit 60 besteht aus einem Wärme leitenden
Material, zum Beispiel aus Stahl, und ist ähnlich wie der Anschlusseinsatz
bei der ersten Ausführungsform
von oben in die Stufenbohrung 11 im Tragelement 10 eingesetzt
und an einem Befestigungsflansch 23 mittels (nicht dargestellten)
Befestigungsschrauben an der Abdeckplatte 12 angeschraubt.
Die Analyseeinheit hat eine durchgehende, zentrische Bohrung 61,
die an ihrer Oberseite mit einer oben an der Analyseeinheit aufschraubbaren
Verschlusskappe 62 verschließbar ist und die unten mit
dem Sackrohr 5 in Verbindung ist. Die Analyseeinheit 60 ist
oberhalb des Flansches 63 mit einem Drucksanschluss 64 versehen,
der mit der zentrischen Bohrung 61 der Analyseeinheit in
Verbindung ist und über
den die in der Bohrung bzw. dem damit kommunizierenden Sackrohr
befindliche Flüssigkeitsprobemenge
bei Bedarf mit Druck beaufschlagt werden kann.As the figures easily show, the device differs 2 from the after 1 essentially by the configuration of the connection insert, which in the embodiment according to 2 as an analysis unit 60 is formed, which serves to receive a sample volume of a liquid, which is thus not flowed through by a liquid. The analysis unit 60 is made of a heat conductive material, for example of steel, and is similar to the terminal insert in the first embodiment from above into the stepped bore 11 in the support element 10 used and attached to a mounting flange 23 by means of fastening screws (not shown) on the cover plate 12 screwed. The analysis unit has a continuous, centric bore 61 , which on its upper side with a cap which can be screwed on at the top of the analysis unit 62 is closable and the bottom with the sack tube 5 is in communication. The analysis unit 60 is above the flange 63 with a pressure connection 64 provided with the centric bore 61 the analysis unit is in communication and via which the liquid sample located in the bore or the sack tube communicating therewith can be pressurized if necessary.
Zur
Analyse eines Probevolumens einer Flüssigkeit wie beispielsweise
Kraftstoff wird die Analyseeinheit 60 anstelle des Anschlusseinsatz 40 von oben
in die Stufenbohrung 11 eingesetzt und an der Abdeckplatte
angeschraubt. Eine zwischen der Unterseite der Analyseeinheit 60 und
des Sackrohrflansches 16 für das Sackrohr angeordnete
Dichtung sorgt dafür,
dass in diesem montierten Zustand der Analyseeinheit keine Flüssigkeit
zwischen dieser und dem Sackrohr austreten kann. Das von dem Sackrohr 5 und
der Bohrung 61 gebildete Volumen wird mit der zu analysierenden
Flüssigkeit
gefüllt
und anschließend
wird die Analyseeinheit mit der Abschlusskappe fest verschlossen.To analyze a sample volume of a liquid such as fuel, the analysis unit 60 instead of the connection insert 40 from the top into the stepped bore 11 inserted and screwed to the cover plate. One between the bottom of the analyzer 60 and the blind tube flange 16 For the sack tube arranged seal ensures that in this assembled state of the analysis unit no liquid can escape between this and the sack tube. That of the sack tube 5 and the hole 61 Volume formed is filled with the liquid to be analyzed and then the analysis unit is firmly closed with the end cap.
Danach
wird das Sackrohr 5 mit Hilfe des Elektromagneten 45 wie
zuvor bereits beschrieben zum Schwingen angeregt. Die sich dann
einstellende Resonanzfrequenz des mit Flüssigkeit befüllten Sackrohrs
ist ein Maß für die Dichte
der Probenflüssigkeit
bei der gerade herrschenden Temperatur, die mit Hilfe des Temperaturfühlers 7 am
unteren Ende des Sackrohrs ermittelt wird.Then the sack tube 5 with the help of the electromagnet 45 as previously described, excited to vibrate. The then adjusting resonance frequency of the liquid-filled sack tube is a measure of the density of the sample liquid at the currently prevailing temperature, using the temperature sensor 7 is determined at the bottom of the sack tube.
Mit
der Vorrichtung ist es nun möglich,
die Dichte der Flüssigkeit
auch bei anderen Temperaturen zu ermitteln, wozu die Vorrichtung
temperiert wird. Ein durch den Flüssigkeitskanal 13 geleitetes Wärme- oder
Kältemittel
temperiert zunächst
das Tragelement 10, wobei es zu einem schnellen Temperaturausgleich
mit dem aus gut Wärme
leitendem Stahl bestehenden Einsatz 60 kommt und damit
auch zu einer Temperaturanpassung der in dessen Inneren befindlichen
Flüssigkeit.
Der Temperaturanstieg bzw. -abfall kann leicht mit Hilfe des Temperaturfühlers 7 festgestellt
werden; sobald hier ein stationärer Temperaturzustand
erreicht ist, sich die Temperatur, wie sie vom Temperaturfühler 7 am
Sackrohr gemessen wird, also nicht mehr ändert, kann eine neue Dichtebestimmung
durch Anregung des Sackrohres mit Hilfe des Elektromagneten erfolgen
und auf diese Weise können
eine Reihe von Punkten einer Temperatur-Dichtekurve ermittelt und
somit eine Aussage über
die Dichte-Temperaturabhängigkeit
eines Kraftstoffes oder einer anderen Flüssigkeit in einem vergleichsweise
großen
Temperaturbereich von beispielsweise 0°-80°Celsius gemacht werden.With the device, it is now possible to determine the density of the liquid at other temperatures, for which purpose the device is tempered. One through the fluid channel 13 passed heat or refrigerant first tempered the support element 10 , where there is a rapid temperature compensation with the use of good heat conductive steel use 60 comes and thus also to a temperature adjustment of the liquid located in its interior. The temperature increase or decrease can be easily with the help of the temperature sensor 7 be determined; as soon as a stationary temperature condition is reached, the temperature, as measured by the temperature sensor, is reached 7 measured on the blind tube, so no longer changes, a new density determination by excitation of the sack tube by means of the electromagnet can be done and in this way a number of points of a temperature-density curve can be determined and thus a statement about the density-temperature dependence of a fuel or a be made of other liquid in a comparatively large temperature range, for example, 0 ° -80 ° Celsius.
Über den
Druckanschluss 64 kann die in der Analyseeinheit aufgenommene
Flüssigkeitsmenge mit
Druck beaufschlagt werden, was besonders dann vorteilhaft ist, wenn
es gilt, die Dichte von Flüssigkeiten
zu bestimmen, die zur Blasenbildung neigen, wenn sie lediglich unter
atmosphärischen
Druck stehen. Ein Beispiel für
eine solche Flüssigkeit
ist destilliertes Wasser. Gasblasen in der Flüssigkeit können das Ergebnis der Dichtemessung
stark verfälschen, was
durch die Messung unter Druck mit bis zu einigen bar wirksam verhindert
werden kann.About the pressure connection 64 For example, the amount of liquid taken up in the analysis unit can be pressurized, which is particularly advantageous when it comes to determining the density of liquids which tend to form bubbles when they are only under atmospheric pressure. An example of such a liquid is distilled water. Gas bubbles in the liquid can greatly falsify the result of the density measurement, which can be effectively prevented by the measurement under pressure with up to a few bar.
3 zeigt
einen Schaltplan zur Ansteuerung der in 1 und 2 dargestellten
Spule 46, die das mit der Flüssigkeit gefüllte Messrohr 5 anregt. 3 shows a circuit diagram for controlling the in 1 and 2 shown coil 46 containing the measuring tube filled with the liquid 5 stimulates.
Die
Auslenkung des Messrohrs 5 wird dabei von den als Sensor
wirkenden Dehnungsmessstreifen (DMS) 6 aufgenommen und
in eine Spannung U-DMS
umgewandelt. Ein Spannungsverstärker 111 verstärkt die
am Eingang anliegende Spannung U-DMS zur Spannung U-DMS-V.The deflection of the measuring tube 5 is determined by the strain gauges acting as a sensor (DMS) 6 taken and converted into a voltage U-DMS. A voltage amplifier 111 amplifies the voltage applied to the input U-DMS to the voltage U-DMS-V.
Hinter
dem Ausgang des Spannungsverstärkers 111 teilt
sich der Signalweg in zwei zueinander parallele Abschnitte. Im ersten,
in der Zeichnung oberen Zweig sind ein Amplitudeneffektivwertmesser 112,
ein Komparator 113, ein PI-Regler 114 und eine regelbare
Gleichstromquelle 115 in Reihe hintereinander geschaltet.
Die regelbare Gleichstromquelle 115 ist dabei an dem Eingang
(Source) eines Feldeffekttransistors 116 angeschlossen,
an dessen Ausgang (Drain) die geerdete Spule 46 in Reihe
liegt.Behind the output of the voltage amplifier 111 the signal path divides into two parallel sections. In the first, in the drawing upper branch are an amplitude rms 112 , a comparator 113 , a PI controller 114 and a controllable DC source 115 connected in series in series. The controllable DC source 115 is at the input (source) of a field effect transistor 116 connected to the output (drain), the grounded coil 46 in series.
Über den
mit dem ersten Abschnitt parallelen Zweig wird die an dem Spannungsverstärker 111 abgegriffene
Spannung U-DMS-V über
einen weiteren Komparator 120 und eine mit diesem in Reihe
geschalteten Spannungsblende 121 am Steueranschluß (Gate)
des Feldeffekttransistors 116 angelegt. Schließlich ist
parallel zu der Spule 46 noch eine Freilaufdiode 117 in
Reihenschaltung mit einem ohmschen Widerstand 118 angeordnet.The branch parallel to the first section becomes the one at the voltage amplifier 111 tapped voltage U-DMS-V via another comparator 120 and a voltage shutter connected in series therewith 121 at the control terminal (gate) of the field effect transistor 116 created. Finally, it is parallel to the coil 46 another freewheeling diode 117 in series with an ohmic resistance 118 arranged.
Der
Amplitudeneffektivwertmesser 112 ermittelt aus der verstärkten Spannung
des Dehnungsmessstreifens 6 (U-DMS-V) ein Maß für die mittlere Auslenkung
des Messrohrs. Dieses am Ausgang des Amplitudeneffektivwertmessers 112 anliegende
Signal wird in dem Komparator 113 mit einem Sollwert 112a am
anderen Eingang des Komparators 113 verglichen. Der Vergleich
mit dem Sollwert 112a der effektiven Amplitude dient dazu,
die durchschnittliche Auslenkung des Messrohrs bei Flüssigkeiten
unterschiedlicher Viskosität
konstant zu halten, da eine zu große oder zu kleine Auslenkung
des Messrohres 5 die gemessene Resonanzfrequenz des mit
dem Fluid gefüllten
Messrohrs 5 verfälschen
könnte.
Die Differenz des Amplitudeneffektivwertes und des Sollwertes der
Amplitude 112a liegt am Ausgang des Komparators 113 an
und wird dem Proportional-Integral-Regler 114 zugeführt. Das
Ausgangssignal des Proportional-Integral-Reglers 114 steuert
die regelbare Gleichspannungsquelle 115 an „ die in
Abhängigkeit
von diesem Ansteuersignal an ihrem Ausgang eine Gleichspannung U-GL
erzeugt, die an dem Feldeffekttransistor 116 anliegt.The amplitude rms meter 112 determined from the increased stress of the strain gauge 6 (U-DMS-V) is a measure of the mean deflection of the measuring tube. This at the output of the Amplitudeneffektivwertmessers 112 applied signal is in the comparator 113 with a setpoint 112a at the other input of the comparator 113 compared. The comparison with the setpoint 112a The effective amplitude is used to keep the average deflection of the measuring tube for liquids of different viscosity constant, as too large or too small deflection of the measuring tube 5 the measured resonant frequency of the measuring tube filled with the fluid 5 could falsify. The difference between the amplitude effective value and the desired value of the amplitude 112a is at the output of the comparator 113 and becomes the proportional-integral controller 114 fed. The output signal of the proportional-integral controller 114 controls the controllable DC voltage source 115 to "in response to this drive signal at its output a DC voltage U-GL generated at the field effect transistor 116 is applied.
In
dem zweiten vor dem Feldeffekttransistor liegenden Zweig der Parallelschaltung
wird die verstärkte
Spannung U-DMS-V des Spannungsverstärkers 111 zunächst über den
Eingang 120b dem Komparator 120 zugeführt und
mit einem am Eingang 120a des Komparators 120 anliegenden
Spannungsnullniveau verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs am
Ausgang des Komparators ist eine zeitlich konstante Komparatorspannung
U-KOMP, wenn die Differenz der Spannung an den beiden Eingängen des
Komparators 120 positiv ist. Ansonsten liegt am Komparatorausgang
keine Spannung an.In the second branch of the parallel circuit located in front of the field effect transistor, the amplified voltage U-DMS-V of the voltage amplifier 111 first over the entrance 120b the comparator 120 fed and with one at the entrance 120a of the comparator 120 applied voltage zero level compared. The result of this comparison at the output of the comparator is a time-constant comparator voltage U-KOMP, when the difference in voltage across the two inputs of the comparator 120 is positive. Otherwise there is no voltage at the comparator output.
Wenn
beispielsweise das vom Dehnungsmeßstreifen gelieferte Spannungssignal
im wesentlichen sinusförmig
ist, wie dies bei 130 angedeutet ist, führt dies am Ausgang des Komparators 120 zu
einer Komparatorspannung U-KOMP in Form einer abschnittsweise konstanten
Rechteckspannung, wie dies in dem Diagramm 140 dargestellt
ist. Die Ausgangsspannung des Komparators U-KOMP wird nun durch
die Spannungsblende 121 geleitet, die einen Rechteckspannungsimpuls
durchläßt und danach eine
festgelegte Anzahl von Rechteckspannungsimpulsen (hier 3)
ausblendet, wie dies durch einen Vergleich der in Diagramm 140 dargestellten
Komparatorspannung U-KOMP und der in Diagramm 145 gezeigten
Ausgangsspannung U-ST ersichtlich ist. Diese Spannung U-ST dient
als Steuerspannung des Transistors 116, an dem die Spannung
U-GL der steuerbaren Gleichspannungsquelle anliegt.For example, if the voltage signal provided by the strain gauge is substantially sinusoidal, as in FIG 130 is indicated, this leads to the output of the comparator 120 to a comparator voltage U-KOMP in the form of a sectionally constant square-wave voltage, as in the diagram 140 is shown. The output voltage of the comparator U-KOMP is now through the voltage aperture 121 passed, which passes a square-wave voltage pulse and then a fixed number of square-wave voltage pulses (here 3 ) hides, as by comparing the in diagram 140 shown comparator voltage U-KOMP and in the diagram 145 shown output voltage U-ST can be seen. This voltage U-ST serves as the control voltage of the transistor 116 to which the voltage U-GL of the controllable DC voltage source is applied.
Die
durch den Komparator 120 und die Spannungsblende 121 erzeugte
Steuerspannung U-ST öffnet
und schließt
den Transistor 116. Wenn der Transistor 116 infolge
eines Steuersignals U-ST geöffnet
ist, kann durch die Spule 119 ein Strom fließen, der
von der Gleichspannung U-GL
der regelbaren Gleichspannungsquelle 115 hervorgerufen
wird. Schließt
sich der Transistor 116 durch einen Wegfall der Spannung
U- SP, dann entlädt sich
die Spule über die
parallel zur Spule 119 geschaltete Freilaufdiode und den
Widerstand 118. Die Freilaufdiode dämpft dabei Induktionsspannungsspitzen
ab und ermöglicht
eine kurze Entladezeit über
den Widerstand 118. Der Vergleich der verstärkten, vom
Dehnungsmessstreifen 110 aufgenommenen Spannung U-DMS-V mit
einem Referenzwert 120a am Eingang des Komparators 120 zusammen
mit der Spannungsblende 121 ermöglicht es, dass das Messrohr
zwischen zwei Anregungen der Spule mehrere Perioden frei schwingt,
das Messrohr regelmäßig von
der Spule neu angeregt wird und dies in festen zeitlichen Abständen geschieht.The through the comparator 120 and the voltage aperture 121 generated control voltage U-ST opens and closes the transistor 116 , When the transistor 116 is open due to a control signal U-ST, through the coil 119 a current flowing from the DC voltage U-GL of the controllable DC voltage source 115 is caused. Closes the transistor 116 by eliminating the voltage U-SP, then the coil discharges via the parallel to the coil 119 switched freewheeling diode and the resistor 118 , The freewheeling diode attenuates induction voltage peaks and allows a short discharge time via the resistor 118 , The comparison of the reinforced, the strain gauge 110 recorded voltage U-DMS-V with a reference value 120a at the input of the comparator 120 together with the voltage aperture 121 allows the measuring tube between two excitations of the coil oscillates freely for several periods, the measuring tube is regularly re-excited by the coil and this happens at fixed time intervals.