DE2116410A1

DE2116410A1 - Vorrichtung zur_ Messung der Massen dichte eines Stromungsmittels

Info

Publication number: DE2116410A1
Application number: DE19712116410
Authority: DE
Inventors: Neuilly s/Seine Janssen Sylvain Jean (Frankreich) GOIn 9 00
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1970-04-06
Filing date: 1971-04-03
Publication date: 1971-11-04
Also published as: US3728893A; GB1351390A; FR2086671A5

Description

Unser Zeichen; C 2818

COMPAGNIE DES C0MPTEÜRS
42, Rue Saint-Dominique
75 Paris 7e/Frankreich

Vorrichtung zur Messung der Massendichte eines Strömungsraittels

Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Maesendichte eines flüssigen oder gasförmigen Strömungsmittel mit einem schwingenden rohrförmigen Körper, durch den das Strömungsmittel strömt.

Es ist bereits eine große Anzahl von Vorrichtungen zur Messung der Massendichte von Strömungsmitteln bekannt, bei denen das zu messende Strömungsmittel in rohrförmigen oder ballonförmigen Behältern enthalten ist, die in eine schwingende Bewegung versetzt werden. Diese Behälter bilden dann einen Bestandteil einer Anordnung, die einen gut konstanten mechanischen Steifigkeitskoeffizienten hat. Die Frequenz der aufrechterhaltenen freien Schwingungen liefert dann ein Maß für die Massendichte des in den Behältern enthaltenen Strömungsmittel. Da die herkömmlichen Vorrichtungen im allgemeinen in einer einfachen Schwingungsform schwingen, in den meisten Fällen in Biegeschwindungen, sind die sich bei der Einführung der Flüssigkeit und der Änderungen ihrer M^ssendichte ergebenden Frequenzänderungen dem Absolutwert nach verhältnismäßig klein.

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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, bei welcher die absolute Änderung der erhaltenen Frequenz und demzufolge die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung infolge der Verwendung einer besonderen Schwingungsform wesentlich vergrößert ist.

Nach der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung der Massenäichte eines Strömungsmittels mit einem langgestreckten TJ-Rohr, das starr an einem Sockel befestigt ist und von dem Strömungsmittel durchströmt wird, gekennzeichnet durch Einrichtungen, mit denen das Ü-Rohr in Torsionsschwingungen versetzt wird, und durch Einrichtungen zur Messung der Frequenz dieser Schwingungen als Maß für die Massendichte des Strömungsmitteis.

Die Einrichtungen, mit 5. an en das U-Rohr in Torsionsschwingungen versetzt wtrfl sinfi gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch gebildet, daß an dem Sockel ein SchwingungBf !.!hler befestigt ist, der über einen Verstärker elektrisch mit zwei Erregungsspulen verbunden ist, deren Achsen senkrecht zu der Mittelebene des U-Rohres liegen, und die jeweils auf eine der Schenkel des U-Rohres in gleichen Abständen vom Sockel so einwirken₉ daß sie ein wechselndes Drehmoment in Bezug auf die Mittelachse des U-Rohres aufrechterhalten, Eßä daß asj Ausgang des Verstärkers ein Frequenzmesser angeschlossen ist.

Die erfihdungsg@äsä£e Yosriohtung ergibt außer einer Erhöhung der Empfindlichkeit noch den Vorteil, daß sie eine in wesentlichen lineare Kennlinie in einem Meßbereich aat_{ iß weloheoa dia Massendichte des zu. messenden Ströiaungsaittsls eicht zu große Werte so nimmt.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels· In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.2 die Verformung des U-Rohres bei den Torsionsschwingungen·

Fig.1 zeigt einen massiven Sockel 1, beispielsweise aus Metall, durch den zwei parallele zylindrische Löcher 10 und 11 vom einen bis zum anderen Ende hindurchgebohrt sind. Ein U-förmig oder haarnadelförtnig gebogenes Rohr 2 ist durch die Löcher 10 und 11 durch den Sockel 1 hindurchgeführt und in diesem starr befestigt. Die freien Enden 5 und 6 des Rohres ermöglichen den Eintritt des Strömungsmittels, dessen Massendichte gemessen werden soll, in die Schenkel 3 und 4 des U-Rohres bzw. den Austritt aus diesen Schenke In.

Die x-Achse ist die Mittelachse des U-Rohres, d.h. die Achse, die im Mittelpunkt 0 der Einspannpunkte 12 und 13 des U-Rohres parallel zu den Schenkeln 3 und 4 senkrecht auf dem Sockel steht«

Ein Schwingungsfühler 8, beispielsweise ein Scheibchen aus piezoelektrischem oder magnetostriktivem Material, ist am Sockel 1 befestigt und elektrisch mit einem Verstärker 9 verbunden, an dessen Ausgang einerseits zwei Erregungsspulen 7, 7* und andrerseits ein Frequenzmesser 16 angeschlossen sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 7 und 7* zu beiden Seiten der Mittelebene des U-Rohres angeordnet. Sie üben auf den Schenkel 4 bzw. auf den Schenkel 3 des Rohres, von dem angenommen wird, daß es aus magnetischem Material besteht, Anziehungsund Abstossungskräfte A von entgegengesetzten Richtungen

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mit der Erregungsfrequenz der Anordnung aus, wodurch die AufrechternaItung von Torsionsschwingungen durch Erzeugung eines Drehmoments P in Bezug auf die x-Achse unter Benachteiligung andrer Schwingungsformen begünstigt wird.

Daraus ergibt sich eine wechselnde Drehbewegung des gebogenen Endes 2 des U-Rohres um die χ-Achse. Die Verformung des Systems ist der in einer bifilaren Aufhängung erzeugten Verformung analog, wie in Fig.2 gezeigt.Das gebogene Ende 2 dreht sich nämlich um einen Winkel θ und erfährt dabei eine geringfügige Rückwärtsbewegung ζ zum Sockel 1 hin, so daß es die Stellung 2* einnimmt. Die Schenkel 3 und 4 werden verwunden und abgebogen, so daß sie die Stellungen 3^f bzw. 4¹ einnehmen.

Wenn kein Strömungsmittel vorbanden ist,besteht eine genau definierte Resonanzfrequenz F_Q des Systems (Grundfrequenz), die folgenden Wert hat:

Darin bezeichnen I₀ das Trägheitsmoment des um die χ-Achse verformbaren Systems und K die Torsions konstante um diese Achse.

Der Schwingungsfühler θ empfängt die so erzeugten Schwingungen und hält mit Hilfe des Verstärkers 9 und der Spulen 7 und 7* die Schwingungsbewegung aufrecht. Die Einführung des Strömungsmittels verändert das Trägheitsmoment, das.dann den Wert I = I_n+ ße annimmt, wobei Q die Massendichte des Ströaungsmittels und Q ein konstanter Koeffizient sind.

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Wenn angenommen wird, daß der Torsionskoeffizient K praktisch konstant ist, wird dann die Schwingungsfrequenz des Systems :

Dies kann auch folgendermaßen geschrieben werden:

Ό ***λ "ΠΙ i Λ ·

wenn I₀ groß gegen das Glied ß ist.

Es ist zu erkennen, daß die Frequenzkennlinie bei einer Äuderung der tfassendichte Q in einem Messintervall, in dem ξ kleine Werte behält, näherunggweise eine Gerade ist. Der Frequenzmesser 16 kann für ein gegebenes Strömungsmittel direkt eine Hassendichtenskala aufweisen.

Falls das Material des U-Rohres nicht selbst magnetisierbar ist, kann man beispielsweise Ringe 14, 14* aus magnetischem Material auf der Höhe der Spulen 7 bz ♦ 7' auf den Schenkeln 4 bzw. 3 anbringen. Es ist auch vorteilhaft, an dem dem U-Rohr zugewandten Ende jeder Spule einen Vormagnetisierungs-Permanentmagnet 15 bzw. 15' anzubringen.

Um eine Verschiebung der Grundfrequenz des schwingungsfähigen Systems zu vermeiden, die durch eine Temperaturänderung verursacht wird, welche den im Ausdruck für die Frequenz F auftretenden Torsionskoeffizient K verändern könnte, kann eine zweite Vorrichtung vorgesehen werden, die der beschriebenen Vorrichtung gleich ist und die gleiche Grundfrequenz F_Q hat. Durch diese zweite Vorrichtung strömt

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kein Strömungsmittel, aber sie ist in der Hahe der ersten Vorrichtung so angeordnet, daß sie annähernd die gleiche Temperatur annimmt. Ihre Schwingungsfrequenz sei mit F₂ bezeichnet. Man bildet durch Überlagerung in einer Misch stufe mit anschließendem Tiefpaßfilter die Differenz der Frequenzen (F₂ - F₀), die von dem Frequenzmesser gemessen wird.

Aus den vorstehenden Gleichungen (1) und (2) folgt:

Die Größe ™ -r,

d U ο

ist temperaturunabhängig; die die Differenzfreqaenz F₂-Fq liefernde Anordnung besitst einen Temperaturkoeffizient, der klein gegen denjenigen äsr Torrichtung mit einem einzigen Schwinger ist, welche die Frequenz F^ liefert.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise können die Erregungsapulen auf der gleichen Seite der Mittelebene des U-Rohres angeordnet werden, wenn sie gegenphasig gespeist werden, beispielsweise mit Hilfe eines Gegentaktverstärker. Es können auch andere Maßnahmen vorgesehen werden, um das U-Rohr in Torsionsschwingungen zu versetzen, beispielsweise mit Hilfe von elektro-striktiven Elementen, die auf das Rohr aufgeklebt werden.

Die Erfindung eignet sich für die Messung der Massendichte von Gasen und Flüssigkeiten.

: Patentansprüche

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Claims

Pate ntansprüche

(i. )Vorrichtung zur Messung der Massendichte eines Strömungs- ^ mittels mit einem langgestreckten U-Rohr, das starr an eines Sockel befestigt ist und von dem Strömungsmittel durchströmt wird, gekennzeichnet durch Einrichtungen, mit denen das U-Rohr in Torsionsschwingungen versetzt wird, und durch Einrichtungen zur Messung der Frequenz dieser Schwingungen als Maß für die Massendichte des Strömungsmittels·
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Sockel ein Schwingungsfühler befestigt ist, der über einen Verstärker elektrisch mit zwei Erregungsspulen verbunden 1st, deren Achsen senkrecht zu der Mittelebene des U-Rohres liegen« und die jeweils auf . , einen der Schenkel des U-Rohres in gleichen Abständen vom Sockel so einwirken, daß sie ein wechselndes Drehmoment in Bezug auf die Mittelachse des U-Rohres aufrechterhalten, und da& am Ausgang des Verstärkers ein Frequenzmesser angeschlossen 1st. - >
3· . Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Verlängerung der Achse jeder Erregungsspule ein Ring aus Magnetischen Material um das U-Rohr gelegt ist·
4· Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem den U-Rohr zugewandten Ende jeder Erregungsspule ein Vormagnetisierungs-Permanentmagnet angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Einflusses von TeoperatürSchwankungen eine zweite Vorrichtung gleicher Art, die kein Strömungsmittel enthält, in der

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Nähe der ersten Vorrichtung angeordnet ist, und daß die von den beiden Vorrichtungen gelieferten elektrischen Schwingungen dem !frequenzmesser über eine Mischstufe mit nach- . folg-endem Tiefpassfilter zugeführt werden.

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