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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
erfindungsgemäße Dichtemessvorrichtung
mit einem Messrohreinsatz in einem Vertikalschnitt;
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2 eine
abgewandelte Dichtemessvorrichtung nach der Erfindung mit einem
anderen Messrohreinsatz in einer 1 entsprechenden
Darstellung; und
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3 einen
elektrischen Schaltplan zur Ansteuerung der Erregerspule in der
Dichtemessvorrichtung nach den 1 und 2.
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In 1 ist
mit 1 eine Dichtemessvorrichtung für Flüssigkeiten bezeichnet, wie
sie beispielsweise zur Bestimmung der Dichte von Kraftstoffen in
Motorenprüfständen eingesetzt
wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt
einen Schaltplan zur Ansteuerung der in 1 und 2 dargestellten
Spule 46, die das mit der Flüssigkeit gefüllte Messrohr 5 anregt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.