DE2249206A1 - Stroemungsmittelmessystem - Google Patents

Description

Deutsche. ±TT Industries GmbH G.L. o'chlatter 7-6

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str, 19 Mo/kn

6. Oktober 1972

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Strömungsmittelmeßsystein

Die Priorität der Anmeldung Nr. 187 948 vom 12. Oktober 1971 in den Vereinigten Staaten von Amerika wird beansprucht.

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Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zum Bestimmen der Zusammensetzung, der Art der Anteile und des jeweiligen prozentualen Gehalts der Anteile eines Strömungsmittels und im speziellen eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Signals in Abhängigkeit von der Dichte und/oder dem Volumen eines Strömungsmittels. Bisher war es schwierig, den Ölgehalt eines in einer Pipeline fliessenden Öl-Wasser-Gemisches zu messen. So ist es beispielsweise schwierig, eine visuelle Anzeige des Gesamtdurchflusses an öl und Wasser zu erreichen.

Diese und andere Nachteile werden von der Erfindung durch einen Durchfluftmesser gelöst, dessen Ausgang über einen Vorverstärker und einen monostabilen Multivibrator elektrische Impulse abgibt, deren Frequenz direkt proportional dem Volumendurchfluß des Strömungsmittels ist, ferner durch ein"Vibrationsdensitometer, dessen Ausgang über eine Geberschaltung ein Signal erzeugt, das direkt proportional dem spezifischen Gewicht des Strömungsmittels

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ist, ferner durch einen ersten Schalter, dessen Kontaktarm mit dem monostabilen Multivibrator verbunden ist, ferner durch einen ersten Digitalzähler, der mit dem ersten Schalter in Verbindung steht und durch einen Torgenerator, dessen Ausg.any mit der Steuerleitung des ersten Schalters verbunden ist und Impulse erzeugt, deren Dauer einem bestimmten Prozentsatz der Periodendauer der Impulse entspricht, wobei dieser Prozentsatz dem prozentualen Gehalt an einem von mindestens zwei unterschiedlichen Anteilen des Strömungsmittels entspricht, wobei ferner der Torgenerator den ersten Schalter in dessen erster Stellung während der Dauer der Erzeugung jeden Ausgangsimpulses und in dessen zweiter Stellung während aller anderen Betriebszeiten hält.

Ein Aspekt der Erfindung besteht somit darin, daß das Meßsystem ein Densitometer aufweist, das auch in Systemen, die völlig unterschiedlich von dem des Systems sind, angewendet werden kann, wobei das Densitometer eine Selbstanlaufschaltung enthält, die sich selbst automatisch ausschaltet. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß ein magnetostriktiver Antrieb verwendet wird, der eine bestimmte Eingangssignalphasenbeziehung für Resonanz bei maximalem Wirkungsgrad auf v/eist.

Die erwähnten und weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Meßsystems nach der Erfindung, womit u.a. der Netto-Ölgehalt bestimmt werden kann;

Fig. 2 zeigt den Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Torgenerators;

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Fig* 3 zeigt das Prinzip.schaltbild des in Fig. 2 gezeigten Detektors für die obere Grenze;

Fig. 4 zeigt das schematische Schaltbild des in Fig. 2 gezeigten Detektors für die untere

Fig. 5 zeigt das schematisehe Schaltbild der in Fig. 2 gezeigten Vergleichsschaltung;

Fig. 6 zeigt die perspektivische Ansicht eineif Derisitometersqnde, die entsprechend der Erfindung ausgebildet ist;

Fig..7. ■ zeigt einen Längsschnitt dutch die Sonde von Fig. " entlang der Linie 7-7;.

Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von Bestandteilen der in Flg. 6 gezeigten Sonde/

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt der Anordnung von Fig* 8 entlang der Linie 9*-9;

Fig. IO zeigt einen vergrößerten Längs&chiäi t eines Teils der in Fig. 6 gezeigten Sonde;.

Fig. 1.1 zeigt einen Längsschnitt entlang.der Linie 11-11 von Fig. 7 durch einen Teil der Halterung eines elciktrischcn Anschlusses _t der anderweitig bezüglich der Sonde befestigt ist;

Fig. 12 zeigt das Blockschaltbild eines nach der Erfindung aufgebauten Densitonieters;

Fig. 13 zeigt dar; Bcheirwiti »rho Schaltbild' einen Teils der in Fig. 12 gezeigten Sehalt ung.sMocko;

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Fig. 14 zeigt das schematische Schaltbild eines anderen Teils der in Fig. 12 gezeigten Schaltungsblöcke;

Fig. 15 zeigt das Schaltbild eines wiederum anderen Teils der in Fig. 12 gezeigten Schaltungsblöcke;

Fig. 16 zeigt ein Detailblockschaltbild des einen der in Fig. $.2 gezeigten Schaltungsblöcke;

Fig. 17 zeigt das Blockschaltbild der in Fig. 16 gezeigten Impulsformerschaltung; —

Fig. 18 zeigt das Blockschaltbild des in Fig. 17 gezeigten Vorwahlzählers; ■ · ■ . .

Fig. 19 und 20 zeigen schematisch das Schaltbild der in '·· Fig. 16 gezeigten Integrationsschaltungen;

Fig. 21 zeigt das schematische Schaltbild der in Fig. 16 gezeigten Abtast-Speicher-Schaltung und

Fig. 22 und 2 3 zeigen für die Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung charakteristische Kurvengruppen.

Das Maßsystem entsprechend der Erfindung ist in Fig. 1 geneigt. Es weist Bauteile auf, die in der Pipeline 19' angebracht sind. Ein solches Bauteil ist die Densitometersonde 10', deren Ausgang mit der Geberschaltung 401 verbunden ist. Die Sonde 10' und die Geberschaltung 401 bilden das in Fig. 12 gezeigte Densitometer, wobei die Sonde 10' ebenfalls in Fig. 12 gezeigt ist. Die Verbraucheranordnung 115, die das in Fig. 1 gezeigte Meßsystem ohne die Sonde 10' und die Geberschaltung 401 sein kann, 1st ebenfalls in Fig. 12 gezeigt. Somit unifaßt die Geberschaltung 401

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alle in Fig. 12 gezeigten Teile unter Ausnahme der Sonde 10' und der Verbraueheranordnung' 115. Die Gebersehaltung 401 liefert einen Ausgangsstrom, der direkt proportional der Dichte des öl-Wasser-Gemischs in der Pipeline 19' ist.

In Fig. 1 enthält das Meßsystem auch den Turbinendurchflußmesser 402, der den Turbinenschaufelrotor 403 und den Stator 404 sowie den magnetischen Aufnehmer 405 aufweist. Der Durchflußmesser 402 ist völlig üblicher Art und erzeugt elektrische Impulse auf .der Ausgangsleitung 406. Die Pulsfrequenz der elektrischen Impulse der Leitung 406 ist direkt.proportional dem Volumendurchfluß der Pipeline 19', mit anderen Worten, ist also der Durchfluß gleich . ' dem Durchfluß an Wasser und öl. Die Ausgangsgröße des Durchfluß- ■ messers 402 wird dem Kontaktarm 407 des Schalters 408 zugeführt, der ein Relais, ein elektrischer Schalter o.a. sein kann und die Kontakte 409 und 410 aufweist. Der Kontakt 409 ist über den Teiler 412, den Treiberverstärker 413 und den Zähler 414 mit der Anzeige 411 verbunden, während der Kontakt 410 über .den Teiler 416, den Treiberverstärker 417 und den Zähler 418 mit der Anzeige verbunden ist. Der Durchflußmesser 402 ist mit dem Kontaktarm über den Vorverstärker 419 und den monostabilen Multivibrator verbunden.

Der Schalter 408 wird vom Torgenerator 400 betätigt, der seine Eingangssignale von der Geberschaltung 401 und dem Temperaturfühler 421 erhält. Die Teiler 412 und 416 können dazu verwendet werden, daß die Anzeigen 411 und 415 direkt in Kubikmeter Wasser oder Öl lauten,

Für-den Fall, daß die Anzeige 411 den Gesamtdurchfluß an Öl und die Anzeige 415 den an Wasser angibt, und wenn ferner, der Äusgangsimpuls des Torgenerators 400 wie unten beschrieben positiv ist, macht der Kontaktarm 407 dann Kontakt mit dem Kontakt 409,

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wenn dieser Ausgangsimpuls eintrifft, d.h. die Kontaktgabe erfolgt während der Impulsbreite. Im Gegensatz hierzu liegt der Kontaktarm am Kontakt 410 wähtend der Zeit zwischen den Impulsen.

Der Torgenerator 400 ist in Fig. 2 gezeigt und enthält die geregelte Spannungsquelle 4 22, die die Spannung +E an den Kontakt 4 des Schalters 4 24 und die Spannung -E an dessen Kontakt 425 legt. Der Schalter 424 ist ein einpoliger Umschalter mit dem Kontaktarm 426 und kann ein Relais, ein elektronischer Schalter oder ähnliches sein. Der Kontaktarm des Schalters 424 ist über die Integrationsschaltung 4 27 mit dem Detektor 428 für die obere Grenze, mit dem Detektor 429 für die untere Grenze und mit der Vergleichsschaltung 4 30 verbunden, deren Ausgangssignal dem in Fig. 1 gezeigten Schalter 408 eingeprägt wird. Die Integrationsschaltung 4 27 besteht aus dem Eingangswiderstand 4 31/ dem Rückkopplungskondensator 4 32 und dem Verstärker 4 33. Die Detektoren 4 und·429 sind jeweils mit den "1"- und "O"-Eingängen des Flip-Flops 4 34 verbunden, dessen "O"-Ausgang den Schalter 424 betätigt.

Der Detektor 428 für die obere Grenze veranlaßt den Ausgang der Integrationsschaltung 427 abzufallen, nachdem ein vorgegebenes hohes Niveau erreicht ist. Umgekehrt veranlaßt der Detektor 4 für die untere Grenze den Ausgang der Integrationsschaltung zum Ansteigen, nachdem ein vorgegebenes niederes Niveau erreicht ist. Somit stellt das Ausgangssignal der Integrationsschaltung eine Dreieckwelle dar, deren Spitzen die vorgegebene obere Grenze und deren Täler die vorgegebene untere Grenze darstellen. Wenn somit der "0"-Ausgang des Flip-Flops 4 34 hoch ist, steht der Kontaktarm 426 in Verbindung mit dem Kontakt 423. Umgekehrt steht der Kontaktarm 4 26 in Verbindung mit dem Kontakt 4 25, wenn der "O"-Ausgang des Flip-Flops 434 niedrig ist.

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Wie noch erläutert werden wird, ist der Ausgang der Geberschaltung 401 nach Fig. 1 ein der Dichte analoger Strom. Die in Fig. gezeigte Teilschaltung 4 35 wandelt diesen analogen Strom in eine analoge Spannung um. Die Teilschaltung 4 35 enthält das Potentiometer 437, die Widerstände 4 36, 4 38, 4 39 und 440 sowie den Verstärker 441. Der Ausgang der Teilschaltung 435 wird der Vergleichsschaltung 430 eingeprägt.

Der Detektor 428 für die obere Grenze ist in Fig. 3 gezeigt und enthält die mit dem Potentiometer 444 in Reihe geschalteten Widerstände 442 und 443. Der Widerstand 442 ist mit der Potentialquelle E verbunden, während der Widerstand 44 3 an der Potentialguelle E,, angeschlossen ist. Der Schleifer 446 der Potentiometerwicklüng 445 liegt am Plus~Eingang des Verstärkers 447, dessen Minus-Eingang das Ausgangssignal der Integrationsschaltung zugeführt erhält.

Die in Fig. 4 gezeigte etwas ähnliche Anordnung enthält das Potentiometer 448 mit der Wicklung 449 und dem Schleifer .450. Die Stellung der Schleifer 446 und 450 wird von den Eigenschaften des Öls und des Wassers in der Pipeline 19' bestimmt. Das bedeutet, daß eine Probe entnommen und zentrifugiert wird. Das spezifische Gewicht "des so voneinander getrennten Öls und Wassers wird dann bestimmt. Die Schleifereinstellung der Potentiometer 444 und wird dann proportional zu den gemessenen spezifischen Gewichten eingestellt. Unterschiedliche spezifische Gewichte können aufgrund von Verunreinigungen, gelösten Feststoffen oder ähnlichem gemessen werden. Das spezifische Gewicht von Wasser in der Pipeline 19' kann üblicherweise 1,07 sein. Das Öl in der Pipeline 19', das beispielsweise Rohöl sein kann, hat ein typisches spezifisches Gewicht von O_r85. Die von der Stellung des Schleifers 446 bestimmte obere Grenze wird somit in Übereinstimmung mit dem spezifischen Gewicht des Wassers gebracht, während dio des Schleifers 45O dann in Übereinstimmung mit dem spezifischen Gewicht von Öl gebracht wird.

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Der Detektor 4 29 für die untere Grenze enthält nach Fig. 4 auch die Widerstände 451 und 452, die jeweils an den Enden der Wicklung 449 angeschlossen sind und zu den Potentialen E und E_f führen. Ferner enthält der Detektor 429 die Verstärker 453 und 454. Der Temperaturfühler 421 ist einfach ein temperaturabhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten und liegt zwischen dem Schleifer 450 und dem Widerstand 455, der seinerseits zum Minus-Eingang des Verstärkers 45 3 führt, der den Rückkopplungswiderstand 456 aufweist. Der Plus-Eingang dieses Verstärkers 45,3 liegt auf dem Potential Vl, während dessen Ausgang dem Minus-Eingang des Verstärkers 454 zugeführt wird, dessen Plus-Eingang an der Integrationsschaltung 427 angeschlossen ist. Der Ausgang des Detektors 423 nach Fig. 3 ist somit dem "1"-Einggang des Flip-Flops 4 34 zugeführt, während der Ausgang des Detektors 429 nach Fig. 4 am "O"-Eingang des Flip-Flops 434 liegt.

Die.Vergleichsschaltung 4 30 nach den Fig. 2 und 5 liefert Ausgangsimpulse einer Impulsdauer, die gleich ist derjenigen Zeit, während der der Dreiecksspannungsausgang der Integrationsschaltung 4 27 die Höhe der Ausgangsspannung des Verstärkers 441 übersteigt. In nicht offensichtlicher und daher unerwarteter Weise ist die Impulsbreite der Ausgangsimpulse der Vergleichsschaltung 4 30 direkt proportional dem in der Pipeline 19* fließenden Prozentsatz öl, während die Zeit zwischen den Impulsen direkt proportional dem in der Pipeline 19' fließenden Prozentsatz Wasser ist.

Der Temperaturfühler 4 21 liefert eine Korrektur, da die Dichte von öl sich so stark mit der Temperatur ändert, daß eine merkliche Genauigkeitsverbesserung durch die Temperaturkorrektur erreicht werden kann. Die Vergleichsschaltung 4 30 kann üblicher Art sein oder so wie in Fig. 5 gezeigt, wo sie den Verstärker enthält, dessen Plus-Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers und dessen Minus-Eingang mit der Integrationsschaltung 427 vcr-

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bunden ist. Hierbei hat der Verstärker 457 zwei Rückkopplungswege 458 und 459, welch ersteter die Diode 460 und die Potentialquelle 461 umfaßt, während der zweite die Diode 462 und die Potentialquelle 46 3 enthält.

Beim Betrieb des Meßsystems nach Fig. 1 liefert der Durchflußmesser 402 dauernd Impulse an .den Kontaktarm 407 des Schalters 408, deren Frequenz direkt proportional dem Volumendurchfluß ist. Der Schalter 408 gibt einen Teil dieser Impulse an den Zähler 414 und den restlichen Teil an den Zähler 418 weiter. Der dem Zähler zugeteilte Anteil ist direkt proportional dem Prozentsatz an öl, während der dem Zähler 418 zugeteilte Anteil direkt proportional dem Prozentsatz an Wasser in der Pipeline 19' ist.

Die Art und Weise, wie diese Aufteilung der Impulse auf die Zähler 414"und-418 vorgenommen wird, wird vom Densitometer mit der Sonde 10', der Geberschaltung 401 und dem Torgenerator 400 bestimmt, der Ausgangsimptilse abgibt, deren· Breite direkt proportional dem Prozentsatz an Öl ist. Da diese Impulse den Schalter 408 steuern, ergeben sich die entsprechenden Prozentsätze.

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In Fig. 6 ist eine Schwingungsdensitomctersonde ΙΟ¹ gezeigt, die einen Schaft 11', ein Gehäuse 12' an ihrem oberen Ende, ein röhrenförmiges Bauteil 13' an ihrem unteren Ende xtnd einen elektrischen Anschluß 14' aufweist,, der am oberen Ende des Gehäuses 12' mittels der Bolzen 15' befestigt ist. Die ringförmigen Befestigungsteile 16' und 17' umgeben den Schaft II¹, damit die Sonde 10' in einem hohlen, zylindrischen Anschlußstück 18' der Rohrleitung 19" befestigt werden kann, wie in Fig. 7 gezeigt ist.

Nach den Fig. 6 und 7 ist eine Schwinge 20' aus rostfreiem Stahl am Bauteil 13' senkrecht zur Achse eines hohlzylindrischen magnetostriktiven inneren Rohres 21' befestigt. Die Schwinge 20' kann, wenn gewünscht, auch symmetrisch zur Achse der sie umgebenden äußeren Hülse 22' befestigt sein.

Die Schwinge 20' kann eine rechteckige Platte mit flachen und parallelen oberen und unteren Begrenzungsflächen sein, wie Fig, zeigt, und sie kann andererseits wechselseitig normale Flächen besitzen, die ein rechteckiges Parallelepiped bilden.

Der Schaft 11' umfaßt nicht nur das innere Rohr 21', sondern auch ein magnetisches äußeres Rohr 23'. Die auf die Nylonhülse 25' gewickelt»-; Antriebscpulc oder Ringspulenwicklung 24 * ist fest auf die Außenfläche des inneren Rohres 21' gepreßt und sitzt in einer Lücke zwischen den Rohren 21' und 23' am unteren Ende des Schaftes 11'. Die Spule 24' wird somit fest auf dem inneren Rohr 21' gehalten, obgleich dies für den Betrieb des Gerätes nach der Erfindung nicht unbedingt nötig ist.

Die Schwinge 20' ist zwischen zv/ei Halbzylindersn 26' und 27' gehaltert, wie Fig. 7 und 8 zeigen. Die Längskanten der Schwinge 20* werden zwischen den Halbzylindern 26' und 27' mit einem

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Druck von z.B. 14.000 N/cm zusammengepreßt, da der Aufbau, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, in- die Hülse 22' mit einer Preßpassung eingesetzt und die Hülse 22'^vor dem Einsetzen erhitzt wird.

Eine ausführbare Alternative besteht darin, die Schwinge 20* an die Ilalbzylinder 26', 27' mittels Elektronenstrahlen anzuschweissen. Die geschweißte Anordnung kann dann ebenfalls dem Druck infolge der Preßpassung ausgesetzt werden. Die weitere Beschreibung bezieht sich jedoch auf die ungeschweißte Alternative.

Der Halbzylinder 26' hat vier Vorsprünge 28', und der Halbzylindex 27* hat vier Vorsprünge 29'. Die Vorsprünge 28' und 29' sorgen dafür, daß zwischen dem Halbzylinder 26* und dem Halbzylinder 27 eine Längsbewegung der Schwinge 20' nicht möglich ist, obwohl dies aufgrund des Spanndruckes, der auf der Schwinge 20' zwischen den Halbzylindern 26' und 27' lastet, ohnehin unwahrscheinlich ist.

Die Halbzylinder 26' und 27* und die Schwinge 20' können so ausgebildet werden, daß sie eine Aussparung oder eine Mulde zur Aufnahme des piezoelektrischen Kristalls 30" aufweisen. Der Kristall 30' hat elektrische Anschlüsse 31' und 32', die um die ν Halbzylinder 26' und 27' herum in den entsprechenden Rillen 33' und 34' zu einem Punkt führ-en, an dem sie das hohle Innere des inneren Rohres 21' erreichen. Dieser Einlaß ist am unteren Ende des inneren Rohres 21', wie Fig. 7 zeigt, angebracht.

Nach Fig. 8 können die Vorsprünge 28' und 29' einen schmalen Zwischenraum bei 35' aufweisen, damit sichergestellt ist, daß der Druckkontakt der Halbzylinder 26' und 27' auf die Schwinge 20' entsprechend der Preßpasfiung hoch ist.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist ein Ansatz 36' bei 37' an die Hülse 13' flussigkeitcdicht angeschweißt. Obgleich das Gerät nach der Er-

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findung durchaus nicht immer flüssigkeitsdicht sein muß, kann eine Glas-Metallabdichtung oder eine andere Abdichtung im inneren Rohr 21' für die Zuleitungen 31' und 32' angebracht sein. Wenn gewünscht können der Kristall 30' und die Zuleitungen 31' und 32' vor dein Anbringen der Preßpassung in den Rillen 33' und 34' in Epoxydharz eingebettet werden.. Nach dem Anbringen der Preßpassung kann die ganze Einheit, wenn sie vollständig zusammengebaut ist, mit einem Bindemittel um die Einzelteile herum im Inneren des Rohres 22' behandelt werden. Jedes herkömmliche Verfahren zum Verkitten kann benutzt werden, wobei man ein Bindemittel benutzen kann, aber nicht muß, das unter dem Namen "Locktite" im Handel ist. ■ .

Wie bereits dargelegt kann der Ansatz 36' an die Hülse 22' bei 37' flüssigkeitsdicht angeschweißt sein. Darüber hinaus kann das äußere Rohr 23' auf den Ansatz 36' aufgeschraubt und flüssigkeitsdicht bei 38' verschweißt sein. Der" Ansatz 36' kann somit für alle praktischen Zwecke als fester Bestandteil des äußeren Rohres 23' angesehen werden. Der Ansatz 36' besteht z.B. ebenfalls aus magnetischem Material. Unter dem Begriff magnetisches Material, wie er hier gebraucht, wird.', kann jedes magnetische Material fallen, nicht nur rostfreier Stahl. Obgleich das innere Rohr 21" magnetisch ist, ist es auch magnetostriktiv.

Das innere Rohr 21' weist einen ringförmigen Vorsprung 39' mit einem Ansatz 40' auf. Das äußere Rohr 23' weist eine untere Bohrung 41' auf, die durch einen ringförmigen Absatz 43' von einer engeren oberen Bohrung 42' getrennt ist. Der Ansatz 40' und der Absatz 43' stoßen zusammen. Vom Ansatz 40' bis zum unteren Ende des inneren Rohres 21' steht dieses immer unter axialem V)ruck, d.h. es wird komprimiert, sowohl wenn die Spule 24' mit Energie versorgt wird als auch wenn die Spule 24' ohne Energiezufuhr ist. Die Spule 24' wird mit niveauverschobenem

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Sin'usstrom versorgt, der lediglich den Kompressionsgrad des inneren Rohres 21' verändert. Die zugehörige Spannung kann eine niveauverschobene Sinusspannung eines Mittelwertes von 0,1 V und Maximalausschlägen von + 25,1 V· und - 24,9 V sein. Es handelt sich also um eine Wechselspannung, die um den Gleichanteil 0,1 V mit 25 V Amplitude oszilliert. Der Vorsprung 39' hat ein Loch 44', durch das die elektrischen Zuleitungen der Spule 24' vom Q£t äe^HSpule 24' zwischen den Rohren 21' und 23' aufsteigen können. .

Die Art und Weise, auf die die Sonde 10' in die Rohrleitung 19' eingebaut ist, wird aus Fig. 10 besser ersichtlich. Man ersieht. aus Fig. -10, daß das äußere Rohr 23' einen nach außen sich erstreckenden'radialen Vorsprung 45'aufweist, gegen den durch die Befestigungsteile 16' und 17' auf beiden Seiten Gummiringe 46' und 47' gedrückt werden. Der Befestigungsteil 17' ist in das Ans'chlußstück 18' eingeschraubt und darin durch ein' herkömmliches Abdichtmittel 48' abgedichtet, wie in Fig. 7 gezeigt wird. In Fig. 10 erkennt man, daß der Befestigungsteil 16' in das Befestigungsteil 17' bei 49' eingeschraubt ist. Das Ausmaß, mit dem die Gummiringe 46' und 47' zusammengedrückt werden, wird deshalb durch die Stellung des Befestigungsteils 16' bestimmt, d.h. man kann den Befestigungsteil 16' z.B. mittels eines Schraubenschlüssels drehen, bis die gewünschte Kompression der Gummiringe erreicht ist.

Aus der in Fig* -T-⁰ gezeigten Konstruktion erkennt man, daß nur die Gummiringe 46' und 47* das äußere Rohr 23' berühren und daß deshalb der Schaft 11^f niemals, weder vom Befestigungsteil 16' noch vom Befestigungsteil 17', berührt wird.

Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß die Konstruktion der Sonde 10' so gewählt ist, daß die Zuleitungen der Spule 24' von

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den Leitungen des Kristalls 30' mindestens in einem Teil des Gehäuses 12' magnetisch getrennt gehalten werden, wie noch zu beschreiben ist. das Gehäuse 12' weist einen Befestigungsteil 50' auf, der auf das äußere Rohr 23' aufgeschraubt ist. Ein Zylinder 51' ist auf das Befestigungsteil 50' aufgeschraubt. Ein Dichtungsring 52' ist genau sitzend eingepreßt und somit an dem Befestigungsteil 50' und dem inneren Rohr 21' befestigt. Das obere Ende des inneren Rohres kann an dem Dichtungsring 52' fest oder gleitend angebracht sein. Vorzugsweise liegt jedoch die Außenfläche des inneren Rohres 21' an seinem oberen Ende fest an der Fläche des Dichtungsrings 52' an, wodurch der Hohlraum abgeschlossen wird. Eine Abschirmung 53' aus magnetischem Material kann um den Befestigungsteil 50' herum durch ein, zwei oder mehrere Schrauben 54' befestigt sein. Das äußere Rohr 23' hat ein radiales Loch 55', durch das die Zuleitungen der SpuJ.e 24' gehen. Der Befestigungsteil 50' weist in Verlängerung des Lochs 55' ein 'Loch 56' auf, durch das ebenfalls die Zuleitungen der Spule 24' gehen. Vom äußeren radialen Teil des Loches 56' verlaufen die Spulenzuleitungen 57' und 58' zwischen den Zylindern 51' und dem Schild 53' aufwärts und sind an den Stiften 59' und 60' des elektrischen Anschlusses 14' befestigt, der ein herkömmlicher fünfpoliger Anschluß sein kann.

Wie bereits dargelegt erstrecken sich die Zuleitungen 31' und 32' des Kristalls 30' aufwärts durch das Innenteil des inneren Rohres 21'. An dessen oberem Knde sind, wie Fig. 7 zeigt, die Zuleitungen 31' und 32' am Eingang des Differenzverstärkers 61' angeschlossen. Somit verlaufen die Zuleitungen 31' und 32' durch die obere öffnung des inneren Rohres 21'.

Der Differenzverstärker 61' kairn völlig herkömmlicher Art und auf einer der üblichen Schaltungskarten montiert sein. Der Differenzverstärker 61' kann wenn gewünscht innerhalb der Abschirmung 53' auf übliche Weise oder einfach durch die Etärke der Zu-

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leitungen 31' und 32' oder die der Ausgangsleitungen 62' und 63' gehaltert sein, die an den Stiften 64' und 65' des Anschlusses 14' befestigt sind. Die Leitung 6^6' sorgt für die Erdung zwischen der Abschirmung 53' und dem fünften. Stift 65' des Anschlusses 14'.

Die Art und Weise, in der der Anschluß 14' am Zylinder 51' befestigt ist, wird in Fig. 11 gezeigt. Es wird nur ein Schraubenbolzen 15' in Fig. 11 gezeigt, da alle Schraubenbolzen 15' in gleicher Weise angeordnet sind. Der Schraubenbolzen 15' weist den Kopf 68', die Unterlagscheibe 69' unter dem Kopf 68', den Gummiring 7O¹ unter der Unterlagscheibe 69' und den Schaft 71' auf, der in den Zylinder 51' eingeschraubt ist. Der zweite Gummiring 72' erstreckt sich ebenso um den Schaft 71' herum. Der Gummiring 70' sitzt zwischen der Unterfläche der Unterlagscheibe .69' und dem angesenkten kegelstumpfförmigen Loch 73' des Ansch? :.sses 14'. Der Gummiring 72' sitzt zwischen der Oberfläche de Cylinders .51' und einem zweiten angesenkten kegelstumpfförin.-Ur.in Loch 74' des Anschlusses 14'. Die Löcher 73' und 74' sind durch die Bohrung 75' miteinander verbunden. Aus Fig. H erkennt man, daß alle darin gezeigten Elemente schwingen können, daß aber der Anteil der Schwingungen, der auf den Anschluß 14' übertragen wird, ganz gering ist.

In Fig. 12 ist die Sonde 10' dargestellt, die den magnetostriktiven Antrieb 104, die Schwinge 20' und den piezoelektrischen Kristall 30' enthält.

Die Sonde 10' kann mit äet des älteren Vorschlages der eigenen Patentanmeldung P 21 41 397.8 identisch sein. Aus der Beschreibung des älteren Vorschlages ergeben sich weitere Einzelheiten im Hinblick auf die Anwendungsmöglichkeit, so daß hier auf nähere Einzelheiten nicht eingegangen wird, die der Beschreibung des älteren Vorschlages entnommen werden können. Gleiches gilt für die eigene ältere A" .eldung P 22 15 6 25.8.

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Der Ausgang des Kristalls 30' ist mit der Eingangsschaltung 106 verbunden, von der der Verstärker 107, der Rechteckwellenwandler 108, das Abgleichfilter 109, der Verstärker 110 und der Rechteckwcllenwandler 111 zu der Differenzierschaltung 102 führen. Die Ausgänge der Differenzierschaltung 102 sind mit dem Synchrondetektor 112 und der Linearisierungsschaltung 100 verbunden. Der Synchrondetektor 112 erhält auch ein Eingangssignal vom Ausgang des Verstärkers 107 über die Zuleitung 113. Der Ausgang des Synchrondetektors 112 steuert den zwischen der Linearisierungsschaltung 100 und der Verbraucheranordnung 115 eingefügten Schalter 114. Mit dem Eingang des Verstärkers 107 ist der Oszillator 116 einstellbarer Frequenz verbunden. Mit dem Rechteckwellenwandler 108 ist der Selbstanlauf-Oszillator 117 verbunden, über die Leitung 116 wird das Ausgangssignal des Rechteckwellenwandlers 108 an die Eingangsschaltung 106 und über die Leitung 119 an den Phasendetektor 120 angelegt. Dieser erhält ein zweites Eingangssignal vom Ausgang des Rechteckwellenwandlers.111 über die Leitung 121. Die Filterfrequenz-Steuerschaltung 122 liegt zwischen dem Ausgang des Phasendetektors 120 und dem Steuereingang des Abgleichfilters 109. Die Ausgangsleitung 123 der Filterfrequenz-Steuerschaltung 122 liefert sowohl den Steuereingang des Abgleichfilters 109 als auch dessen gefilterten Ausgang, wie noch beschrieben werden wird.

Zwischen dom Ausgang dos Verstärkers 110 und dem magnetostriktiven Antrieb 104 liegt der Treiberverstärker 124. Wie noch erklärt werden wird, enthält die Eingangsschaltung 106 eine Differenzierschaltung, deren Ausgangssignal gegen das Ausgangssignal des Kristalls 30'um 90 phasenverschoben ist. Das Ausgangssignal des Abgleichfalters 109, das dem Verstärker 110 zugeführt ist, ist ebenfalls gegen das vom Rechteckwellenwandler 108 kommende Eingangssignal des Abgleichfilters 109 um 90 phasenverschoben. Diese beiden Phasenverschiebungen um 90°, die sich in dor Eingangsschaltung 106 und im Abgleichfilter 109 ergeben, ermöglichen es, den Ausgang des Treiberverstärkers 124 mit dem Antrieb 104 in einer Weise zu verbinden, daß Resonanz erhalten wird. Dies bedeutet,

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daß die Schwinge 20' auf ihrer natürlichen Resonanzfrequenz durch Speisung der Spule 24* mit einer mit dem Ausgang des Kristalls 30* phasengleichen niveauverschobenen Wechselspannung angetrieben wird. Der in der Spule 24' fließende Strom kann ein niveauverschobener Sinusstrom sein; er fließt jedoch immer nur in einer Richtung.

Die Leitung 118 legt eine isolierte Potentialquelle an die Eingangsschaltung 106, wie noch erklärt wird. Der Oszillator 116 wird bei der Eichung verwendet, wie ebenfalls noch beschrieben wird.

Der Selbstanlauf-Oszillator 117 wird verwendet, um einen Selbstanlauf zu gewährleisten. Der Synchrondetektor 112 veranlaßt den Schalter 114, den Ausgang der Linearisierungsschaltung 100 auf einem konstanten Wert festzuhalten, falls eine Resonanz nicht auftritt.

Die Verbraucheranordnung 115 kann irgendeine der verschiedenartigen Ausführungsformen annehmen. Läßt der Schalter 114 das Ausgangssignal der Linearisierungsschaltung 100 durch, so ist dieses Ausgangs signal unmittelbar proportional der Dichte des Strörnungsmittels, in das die Sonde 10' eingetaucht ist. Die Verbraucheranordnung 115 kann daher din Volt- oder Amperemeter sein, das im Bedarfsfälle in Dichte geeicht werden kann. Die Verbraucheranordnung kann auch ein Prozeßregler serin.

Das Abgleichfilter 109 und die Linearisicrungsschaltung 100 können falls gewünscht mehrere Bereiche haben, das bedeutet, daß die Resonanzvibration der Schwinge 20' irgendwo innerhalb von zwei oder mehreren Bändern auftreten kann, die davon abhängen, in was ,für ein Strömungsmittel die Schwinge 20' eingetaucht ist. In einem solchen Falle ist es wünschenswert, daß die Selbstanlaufschaltung 117 ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz sich über das interessierende Band ändert. Hierfür kann falls gewünscht

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ein Umschalten des Frequenzvariationsbereichs des Ausgangssignals der Selbstanlaufschaltung 117 vorgesehen werden. Wie jedoch noch gezeigt werden wird, kann die Frequenz des Wechselausgangssignals der Selbstanlaufschaltung 117 von der untersten Grenze des untersten Bandes zu der obersten Grenze des obersten Bandes des Abgleichfilters 109 veränderlich sein.

Das Densitometer nach Fig. 12 ist mindestens teilweise ein elektromechanischer Schwinger. Der Kristall 30' ist der Aufnehmer, dessen Ausgang verstärkt und dem magnetostriktiven Antrieb 104 zugeführt wird. Gelegentlich besteht jedoch aufgrund von Leitungsrauschen und anderem die Schwierigkeit, den elektromechanischen Schwinger zu starten. Die Selbstanlaufschaltung 117 startet die Schwinge 20' automatisch bei der der Dichte des Strömungsmittels entsprechenden natürlichen Resonanzfrequenz, in das sie eingetaucht ist.

Die Selbstanlaufschaltung 117 kann, wie gezeigt werden wird, zwei Oszillatoren enthalten. Hierbei schwingt der eine Oszillator auf einer niedereren Frequenz als die des anderen Oszillators. Die höhere Frequenz ist somit mit einem Sinus, einem Sägezahn oder einer anderen ähnlichen periodischen Schwingung frequenzmoduliert. Wenn die Resonanz erreicht ist, wird die Selbstanlaufcchaltung 117 durch den Ausgang des Synchrondetektors 112 abgeschaltet.

Der Treiberverstärker 124 erhält ein zusätzliches Eingangssignal über die Leitung 464 vom Abgleichfilter 109. Das Eingangssignal der Leitung 464 stellt die Phase des Wechselanteils des Ausgangssignals des Treiberverstärkers 124 ein und bringt den Wechselanteil unerwarteterweise durch eine einfache Widerstände-Verbindung in Phase mit dem Ausgangssignal des Kristalls 30', und zwar über ein Frequenzband von beispielsweise 2 bis 5 kHz.

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Entsprechend einem wichtigen Aspekt der Erfindung gibt der Treiberverstärker 124 somit ein Signal an den magnetostriktion Antrieb 104 ab, das einen Wechselanteil enthält, der wiederum in Phase mit dem Ausgangssignal des Kristalls 30' ist. Der wesentliche Vorteil dieser Antriebsart wird ohne weiteres bei Betrachtung der Fig. 1 bis 6 offensichtlich und besteht darin, daß die Resonanz bei maximalem Wirkungsgrad erfolgt, d.h., wenn die Ausgangsspannung des Treiberverstärkers 124 einen mit dem Ausgang des Kristalls 30' in Phase befindlichen Wechselanteil aufweist, ist die Ausgangsamplitude des Kristalls 30' ebenfalls ein Maximum. Dasselbe gilt noch mehr, wenn der Wechselanteil des in der Spule 24' fließenden Stroms gegenüber dem Wechselanteil des Eingangs des magnetostriktiven Antriebs 104 um ungefähr 70° nacheilt. Diese Phasenverschiebung des Stroms ändert sich nicht wesentlich über den gesamten Frequenzbereich von beispielsweise 2 bis 5 kHz.

¹ *
Der Treiberverstärker 124 weist auch eine zu beschreibende Spannungs- und Stromabweichung (offset) auf. Diese bewirkt, daß der Ausgang des Kristalls 30^s dieselbe Frequenz wie der Ausgang des Treiberverstärkers 124 hat. Der Strom in der Spule 24' fließt immer in eine Richtung, d.h. er ist ein mehr oder weniger pulsierender Gleichstrom. Typischerweise ist die Ausgangsspannung, des Treiberverstärkers 124 eine Sinusschwingung mit einem Spitzenwert von etwa 25 V, Jedoch mit einem Mittelwert von beispielsweise 0,1 bis 0,2 V,

Ein weiterer zu beschreibender Aspekt der Erfindung umfaßt Mittel, die den Mittelwert des in der Spule 24' fließenden Stroms konstant und unabhängig von deren Impedanz oder deren Widerstand halten. Somit ist zuverlässiges Arbeiten selbst bei Tiefsttemperaturen gesichert. Dies löst das Problem, daß der Gleichstrcmwiderstand der Spule 24' bei Tiefsttemperäturen beträcht- . ' licht absinkt.

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Unabhängig von dem vorausgegangenen soll hervorgehoben werden, daß das Densitometer nach Fig. 12 zusammqn mit dem Meßsystem nach Fig. 1 oder auch getrennt davon verwendet werden kann, d.h. das Densitometer nach Fig. 12 ist auch bei vielen anderen Anwendungen nützlich.

Das Densitometer nach der Erfindung kann zur Lieferung einer analogen Spannung oder eines analogen Stromes verwendet werden, der bzw. die direkt proportional der Dichte eines Gases oder einer Flüssigkeit ist, z.B. für irgendeinen Steuer-, Anzeige- oder anderen Zweck.

Beim Betrieb des Densitometers nach' Fig. 12 wird die Eichung durch Einstellen des Oszillators 116 vorgenommen, wie noch beschrieben werden wird. Der Betrieb beginnt dann, wenn die Anordnung mit Energie versorgt wird. Die Selbstanlaufschaltung 117 liefert dann ein Wechselausgangssignal an den Rechteckwellenwandler 108, dessen Frequenz über einen Meßbereich des Instruments veränderlich ist. Wenn die Resonanz'gefunden ist, stoppt der Synchrondetektor 112 den Oszillator 117, und das Abgleichfilter 109 folgt dem Resonanzsignal. Der Ausgang des Abgleichfilters 109 wird dem Treiberverstärker 124 über den Verstärker 110 zugeführt, um den elektromechanischen Oszillator zum Schwingen zu veranlassen. Die Schwinge 20' vibriert dann in einer ihrer Schwingungsmoden, und zwar bei einer Frequenz, die eine Funktion der Dichte dessen ist, in was sie eingetaucht ist. Die Linearisierungsschaltung 100 gibt dann eine analoge und der Dichte direkt proportionale Ausgangsspannung bzw. einen entsprechenden Ausgangsstroin ab.

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Der. Schalter 114 kann falls gewünscht eine Nullspannung ^-oder eine andere Spannung oder einen Nullstrom oder einen anderen Strom an die Verbraucheranordnung 115 liefern, und zwar während solchen Zeiten, während denen keine Resonanz vorliegt. An einer Anzeigevorrichtung kann somit festgestellt werden, daß die Vorrichtung nicht die richtige Dichte anzeigt. Der Synchrondetektor 112 liefert ein Ausgangssignal, das zum Bestätigen des Schalters 114 und zum Starten und Stoppen der Selbstanlaufschaltung 117 dienen kann. ·

Wird die Fig. 13 unmittelbar an die linke Seit.e der Fig. 14 angelegt, so ist.zu bemerken, daß die Leitungen zusammenpassen. Im Interesse der Klarheit ist der Verstärker 126 sowohl in Fig. als auch in Fig. 14 ersichtlich. Das. gleiche gilt für die Leitungen 127 und 128. " ' . .

Nach- Fig. 13 ist die Eingangsschaltung 106 dem Kristall 30' nachgeschaltet. Es wird ferner der Verstärker 107, der Rechteckwellenwandler 108, der Selbstanlauf oszillator 1.17, der Synchrondetektor 112 und die Differenzierschaltung 102 gezeigt.

Die Fig. 14 zeigt das Abgleichfilter 109 mit der Filterfrequenz-Steuer schaltung 122, der Verstärkerschaltung 110, dem Phasendetektor 120, dem Rechteckwedlenwanäler m und dem Treiberverstärker 124. ·

Nach Fig. 13 ist die Eingan<jr:r..c.haltt;ng 106 dem Kristall 30' an den Verbindxingspunkten 129 vuYd 130 nachgeschaltet. Der Kondensator 131 und der Widerstand 132 legen den Verbindungspunkt 130 an Masse. Der Differenzverstärker 133 weist den Plus-Eingang und den Minus-Eingang 135 auf. Der Rückkopplungswiderstand 136 verbindet den Verstärkerausgang mit dem-Minus-Eingang 135, der über den Widerstand 137 und den Kondensator 138 am Verbindungspunkt 130 liegt. Zwischen den Verbindungspunkten 129 und- 130 liegt der Widerstand 139.

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Die Eingangsschaltung 106 weist Leistungseingangsanschlüsse 140 und 141 auf, die den Ausgang des Verstärkers 126 über die Leitung 142 und die Leitung 127 mit dem Transformator 143 verbinden. Während die Primärwicklung 144 des Transformators 14 3 mit der Leitung 127 in Verbindung steht, sind die Enden der Sekundärwicklung 145 mit dem Anschluß 140 über die Dioden 146 und 147 verbunden. Der Mittelabgriff 148 der Sekundärwicklung liegt am Anschluß 141. Zur Verminderung der Welligkeit ist zwischen den Anschlüssen 140 und 141 der Kondensator 149 eingefügt. Zwischen dem Verbindungspunkt 129 und dem 'Anschluß 140 liegt der Widerstand 150 und zwischen dem Anschluß 140 und dem Verbindungspunkt 130 der Kondensator 151. Die Leitung 152 führt vom Anschluß 140 zum Verbindungspunkt 130. Der Ausgang der Eingangsschaltung 106 ist über den Transformator 153, den Widerstand und die Dioden 156 und 157 mit dem im Verstärker 107 angeordneten Verstärker 154 gekoppelt. Der Verstärker 154 weist einen Rückkopplungswiderstand 158 auf. Der Rechteckwellenwandler 108 liegt am Ausgang des Verstärkers 154 und enthält den Koppelkondensator 159, den Vorspannwiderstand 160, den Vorspannwiderstand und die Dioden 16 2 und 16 3. Der Verstärker 107 ist über den Koppelkondensator 164 und den Serienwiderstand 16 5 mit dem Oszillator 116 verbunden.

In Fig. 13 ist die SelbsLanlaufschaltung 117 wiederum zwischen der Ausrjangsleitung 194 des Syuchrondetektors 112 und dem zum Rechteckwe] lenwandler 108 gehörenden Verbindungspunkt 188 geschaltet gezeigt. Die Selbstanlaufschaltung 117 besteht aus dem Oszillator 465, der zwischen dem Oszillator 466 und der Torschaltung 467 angeordnet ist. Die Ausgänge der beiden Oszillatoren 465 und 466 sind periodisch und können von Sinus-, Sägezahn- odor anderer Forin sein. Die Frequenz des Oszillators 466 ist niedriger als die des Oszillators 465, die sich in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators 466 ändert. Das Ausgangssignal des Oszillators 465 wird über die

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Torschaltung 467 dem Rechteckwellenwandler 108 eingeprägt. Die Torschaltung 467 ist in Abhängigkeit davon durchlässig oder gesperrt, ob das Eingangssignal des Synchrondetektors 112 hoch oder nieder ist. Die Torschaltung 467 ist mit der Ausgangsleitung 194 des Synchrondetektors 112 verbunden.

Die Leitung 189 verbindet den Synchrondetektor 112 mit dem Ausgang des Verstärkers 154. Die Wellenform 190 wird an den Synchrondetektor 112 über die Leitung 192 und über die Diode 191 angelegt. Das an der Leitung 189 anliegende und bei 193 gezeigte Signal wird daher abgetastet. Erfolgt dort eine Scheitelwertanzeige, so erscheint auf der Leitung 194 ein Ausgangssignal, welches dem Transistor 195 über einen Widerstand 196 und der Diode 197 gemäß der Fig. 16 zugeführt wird. In diesem Fall schließt der Transistor 195 den Verstärker 198 nicht gegen Masse kurz, was anderenfalls geschehen würde.

Im Synchrondetektor 112 der Fig. 13 erfolgt das Abtasten mittels des Feldeffekttransistors 199, der vom Widerstand 206 überbrückt ist. Der Ausgang des Feldeffekttransistors 199 ist mit dem Verstärker 201 über den Widerstand 202 und den Siebkondensator 203 verbunden. Der Verstärker 201 weist den Rückkopplung^- widerstand 204, den Plus-Eingang 205 und den Minus-Eingang 206 auf. Der Plus-Eingang 205 liegt über den Widerstand 207 an Masse und über den Widerstand 207" am Potential V2«

Die Differenzierschaltung 102 enthält den Kondensator 208, der in Reihe mit der Leitung 128, dem Widerstand 209 und dem Transistor 210 liegt, dessen Basis 211 mit dem Widerstand 209, dessen Emitter 213 mit Masse und dessen Kollektor 212 über den Widerstand 214 mit einer positiven Potentialguelle verbunden ist. Die Zuleitung 215 verbindet den Kollektor 212 mit der Linearisierungsschaltung 100. Dies bedeutet, daß diese Zuleitung mit der in den Fig. 16 und 17 gezeigten identisch ist.

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Wie noch ausgeführt wird, kann das Abgleichfilter 109 innerhalb der Grenzen zweier Bänder betrieben werden. Für alle Figuren gilt, daß V2 24 V und Vl 12 V betragen kann. Die Erklärung der Betriebsweise wird jedoch besser verständlich, wenn man annimmt, daß Vl +12 V und V2 -12 V beträgt und Massepotential Masse bleibt.

Das Abgleichfilter 109 der Fig. 14 weist den Transistor 216 mit dem Kollektor 217, dem !Emitter 218 und der Basis 219 auf. über den Widerstand 220 ist die Leitung 12? mit der Basis 219, zwischen welcher und dem Emitter 218 die Diode 221 liegt, verbunden. Der Emitter 218 liegt am Potential Vl und der Kollektor 217 über den Widerstand 222 am Potential V2. Der Kollektor 217 ist Über den Widerstand 223 und den Kondensator 224 mit dem Minus-Eingang des Verstärkers 226 verbunden, dessen Plus-Eingang 227 am Potential Vl" liegt und der vom Rückkopplungswiderstand 228 überbrückt wird. Der Verbindungspunkt 229 des Abgleichfilters 109 ist über die ,Leitung 231 am Verbindungspunkt·230 der Steuerschaltung 122 angeschlossen. ,Pe;» einpolige Umschalter 232 weist die Kontakte und 234 sowie* den-<Kontaktarm 235 auf. Die Potentiometer 236 und liegen zwischen dem Verbindungspunkt 230 und dem Kontakt 233 bzw. 234. Der einpolige Umschalter 238 weist die Kontakte 239, 240 und den Kontaktarm 241 auf. Das Potentiometer 242 und der Widerstand 24 3 liegen zwischen dem Verbindungspunkt 230 und dem Kontakt 239. Zwischen der Verbindungsstelle 230 und dem Kontakt liegen das Potentiometer 244 und der Widerstand 245. Der Pol liegt auf dem Potential Vl.

Die Steuerschaltung 122 erhält das Eingangssignal vom Phasendetektor 120 auf der Leitung 246 über die Widerstände 248, 249 und den Verstärker 247. Der Kondensator 250 liegt zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 248 und 249 und dem Potential Vl. Das Potentiometer 251 mit der Wicklung 252 und dem Schleifer liegt zwischen dem Potential V2 und Masse. Der Widerstand 254 und der Kondensator 255 liegen zwischen dem Schleifer 253 und

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dem Ausgang des Verstärkers 247. Die Widerstände 249 und 254 sind über die Leitung 256 miteinander verbunden. Die Steuerschaltung 122 weist einen Feldeffekttransistor 257 mit einem Kollektor 258, einem Emitter 259 und einem Gatt 260·auf. Der Widerstand 261 verbindet den ausgang des Verstärkers 247 mit dem Gatt 260. Der Widerstand 261 liegt z%fischen dem Ausgang des Verstärkers 247 und dem Gatt 260. Der Emitter 249 ist mit dem Potential Vl verbunden. Der Kollektor 258 liegt am Kontaktarm 241.

Der Treiberverstärker 124 ist in Fig. 14 gezeigt. Er ist mit dem Verstärker 110 über die Leitung 276 verbunden. Ebenso steht er mit dem Verstärker 226 im Abgleichfilter 109 über die Leitung in Verbindung. Der Ausgang des Treiberverstärkers 124 ist mit der Spule 24' überbrückt.

Wie in Fig. 14 gezeigt, enthält der Treiberverstärker 124 die Widerstände 470 und 471, die von den Leitungen 276 und 469 zum · Verbindungspunkt 472 führen, der seinerseits über den Widerstand mit Massepotential verbunden ist. Der Minus-Eingang des Verstärkers 474 liegt am Verbindungspunkt 472, während dessen Plus-Eingang mit dem Potential Vl verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers liegt über den Widerstand 476 am Minus-Eingang des Verstärkers 475, dessen Plus-Eingang ebenfalls am Potential Vl angeschlossen ist. Der Widerstand 477 verbindet den Minus-Eingang des Verstärkers mit dessen Ausgang. Der Verbindungspunkt 472 führt über den Ver·- bindungspunkt 478 zum Minus-Eingang des Verstärkers 474. Der Widerstand 479 und der Kondensator 480 sind in der angegebenen Reihenfolge zwischen den Verbindungspunkt 478 und den Ausgang des Verstärkers 475 geschaltet. Die Spule 24' ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 475 und den Verbindungspunkt 481 geschaltet, von dem einerseits der Widerstand 482 zum Potential Vl führt und andererseits der Widerstand 483 zum Verbindungspunkt 478 führt.

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Der in Fig. 14 gezeigte Treiberverstärker 124 hat mehrere hervorstechende Vorteile. An erster Stelle ist zu erwähnen, daß er der Spule 24" eine Spannung zuführt, die einen in Phase mit dem Ausgang des Kristalls 30' liegenden Wechselanteil aufweist. Darüber hinaus hat die Ausgangsspannung des Treiberverstärkers einen von null abweichenden Mittelwert. Obwohl dieser nur 0,1 oder 0,2 V betragen kann, schützt diese Spannungsabweichung vollständig vor einer in der Spule 24' auftretenden Stromumkehr. Fließt beispielsweise der Spulenstrom in der durch den Pfeil 484 angegebenen Richtung, so kann niemals ein in der entgegengesetzten Richtung fließender Strom auftreten. Dies gilt generell. Es ist nur eine kleine Niveauverschiebung des Wechselspannungsanteils der Spulenspannung nötig, da der Gleichstromwiderstand der Spule 24* wesentlich kleiner als ihre Wechselspannungsimpedanz ist. Beispielsweise kann der Gleichstromwiderstand er Spule 24' 14 Ohm betragen und der Widerstandswert des Widerstands 482 beispielsweise 1 Ohm. Die'Kapazität des Kondensators 480 kann relativ groß, beispiels-0,1 ,uF, sein. s

Die zusätzliche Eingangsgröße auf der Leitung 469 verschiebt wirksam die Phai;e des Signals der Leitung 276. Es sei angemerkt, daß die Signale auf den Leitungen 276 und 469 im allgemeinen Sinusform haben. Wenn daher Sinuswellen unterschiedlicher Phase addiert werden, ist die resultierende Welle wieder eine Sinuswelle, deren Phase von den Phasen der beiden AusgangsweIlen unterschiedlich ist. Der Treiberverstärker 124 addiert tatsftr-hlich die Kurvenfornien auf den Leitungen 276 und 469. Die durch die Addition hervorgerufene Phasenverschiebung ist erwünscht, um die richtige oder unrichtige Wirkungsweise von Schaltungselementen oder darin auftretenden Phasenverschiebungen zu kompensieren. Es ist ein überraschender und hervorstechender Vorteil der Erfindung, daß die einfache Addition von Kurvenformen die Eingangsspannung der Spule 24' in Phase mit dem Ausgangssignal des Kristalls 30' über ein Frequenzband von beispielsweise 2 bis 5 kHz bringt.

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Wie bereits ausgeführt, prägt der Treiberverstärker 124 eine Wechselspannung der Spule 24' auf, deren Mittelwert von null verschieden, jedoch nur ein kleiner Teil der Spitzenspannung ist. Jedoch ist der Mittelwert des durch die Spule 24' fließenden Stromes vorzugsweise gleich oder etwas größer als die Amplitude des Wechselspannungsanteils des Spulenstroms. Der einzelne Widerstand 483 läßt den Strom in einer Richtung fließen, und zwar zusammen-mit dem Widerstand 482, wodurch daran eine Spannung erzeugt wird, die direkt dem in der Spule 24' fließenden Strom proportional ist. üblicherweise beträgt diese Spannungsabweichung etwa 0,1 bis 0,2 V. Die Rückkopplungsverbindung des Widerstands mit dem Widerstand 482 hält den Strom in der Spule 24' auf einem ' Wert von beispielsweise 100 bis 150 mA konstant» Typischerweise hat die Spule 24' einen Gleichstromwiderstand von 10 bis 15 Ohm. Der Widerstand 479 und der Kondensator 480 bilden eine Rückkopplungsschaltung, die den Wechselanteil der Spannung an der Spule 24' konstant hält, beispielsweise auf 25 V Spitze.

Die in Fig. 16 gezeigte Linearisierungsschaltung 100 nach Fig„ enthält die Impulsformerschaltung 13, die erste Integrationsschaltung l5i die zweite Integrationsschaltung 16 und die Abtast-Speicher-Schaltung 10 in Reihe.

Gemäß der Fig. 17 weist die Impulsformerschaltung 13 den Rechteckwellenwandler 22, den Frequenzteiler 23, das UND-Gatter 14, den Vorwahlzähler 24 und die Flip-Flop-Schaltung 25 auf, welche Schaltelemente zwischen dem Differenzierglied 102 der Fig. 12 und dem Schalter 26 in Fig. Ϊ9 liegen. Der "1"-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 25 ist mit der Eingangsleitung 27 des Schalters 26 verbunden. Sämtliche der in Fig. 19, 20 und 21 gezeigten Schalter^ 26, 31, 32, 33 und 19 können elektromechanische oder elektrische Schalter sein, vorzugsweise aber elektronische Schalter, wie z.B. Transistorschalter. Somit schließt das auf der

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Eingangsleitung 27 des Schalters 26 vorhandene Signal den Schalter 26, sobald der "1"-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 25 hoch ist. ·

Der in Fig. 17 enthaltene Stoßoszillator 29 ist* mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters 14 verbunden. Der "O"-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung ist mit dem dritten Eingang des UND-Gatters 14 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 14 ist mit dem Eingang des Vorwahlzählers 24 nach Fig. 17 verbunden. Zwischen der Leitung 28 und dem Rückstelleingang der Flip-Flop-Schaltung 25 liegt der Inverter 30, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Rückstelleingang des Vorwahlzählers 24 verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Impulsformerschaltung 13 nach Fig. 17 kann vielleicht am besten anhand der in Fig. 22 gezeigten Kurvenformen verstanden werden. Die Impulsformerschaltung 13 wandelt die. Kurvenform (a) in die Kurvenform (d). Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 23 ist durch.die mit (a) bezeichnete Kurvenform gegeben. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 14 hat die mit (b) bezeichnete Kurvenform. Eine Gruppe von Impulsen durchläuft das UND-Gatter 14 vom Stoßoszillator 29 zum Vorwahlzähler 24 während einer Zeitdauer, die mit T /2 bezeichnet werden soll. Der hochliegende Ausgang des Frequenzteilers 23 hält das UND-Gatter 14 offen. Anfänglich befindet sich die Flip-Flop-Schaltung 25 im "0"-Zustand und hemmt daher nicht das UND-Gatter 14. Der Vorwahlzähler 24 zählt die in einer Gruppe befindlichen Impulse und . beendet die Zählung nach einer Zeitdauer von T /2 bezogen auf die Vorderflanke jedes Ausgangsimpulses des Frequenzteilers 23. Der Vorwahlzähler 24 kann im Bedarfsfalle auf eine bestimmte Zahl einstellbar sein. Der Stoßoszillator 29 erzeugt Impulse mit einer hochstabilen konstanten Hochfrequenz.

Ist nun einmal die Gruppe der Impulse gezählt, so bringt der Vorwahlzähler die Flip-Flop-Schaltung 25 in den "1"-Zustand. Der

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"O"-Aüsgang der Flip-Flop-Schaltung 25 wird'dann nieder und hemmt das UND-Gatter 14. Danach werden keine weiteren Impulse dem Vorwahlzähler 24 bis zur Vorderflanke des nächsten Ausgangsimpulses vom Frequenzteiler 23 mehr· zugeführt. Das Ausgangssignal des Inverters 30 wird durch die Kurvenförm (c) veranschaulicht. Hat die Kurvenform (a) eine anfallende Flanke, so hat die Kurvenform (c) eine ansteigende Flanke _r und es werden'sowohl der Vorwahlzähler 24 als auch die Flip-Flop-Schaltung 25 zurückgestellt. Das "1"-Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung 25 wird somit durch die Kurvenform (d) veranschaulicht»

Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt, stellen die senkrechten in den Fig. 19, 20 und 21 gezeigten Eingangsleitungen der Schalter 26, 31, 32, 33 und 19 die Steuerleitungen dar. Wie bereits beschrieben führt die Steuerleitung eine Spannung,- die, wenn sie hoch ist, den Schalter schließt. Der Schalter 26 weist den· Kontakt 35 und den Kontaktarm 34 auf, an dem die konstante· Spannung E anliegt. Zwischen dem Kontakt 35 und dem einen Eingang des Differenzverstärkers 37 liegt der Widerstand 36. Der andere Eingang des Differenzverstärkers 37 liegt an der konstanten Spannung +E^.. Der Eingang des Schalters 26 ist über die Eingangsleitung 27 mit dem "1"-Ausgang der in Fig. 17 gezeigten Flip-Flop-Schaltung 25 verbunden, wie bereits erwähnt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 37 nach Fig. 19 ist mit der Eingangsleitung 38 verbunden, welche mit dem Kontaktarm 39 des Schalters 32, der den Kontakt 40 aufweist, in Verbindung steht.

Dem Vorwahlzähler 24 nach Eig. 18 kann entsprechend der Stellung des einpoligen Umschalters 106'eine von zwei bestimmten Zählungen vorgegeben werden. Für zwei entsprechende unterschiedliche Zählungen sind die zwei UND-Gatter 107' und 111¹ vorgesehen.

Die Fig. 19 zeigt die erste Integrationsschaltung 15, deren rnonostabiler Multivibrator 42 über die Differenzierschaltung 41

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mit der Eingangsleitung 27 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Multivibrators 4 2 liegt an der Steuerleitung 4 3 des Schalters 31. Das Ausgangssignal des Multivibrators 42 ist auch an die Eingangsleitung 44 der in Fig. 20 gezeigten Verzögerungsanordnung und an die Steuereingangsleitung 45 des in Fig. 21 gezeigten Schalters 19 angelegt.

Der Schalter 31 in Fig. 19 weist den Kontaktarm 46 und den Kontakt 47 auf. Der Kondensator¹ 48 liegt zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 37 und dessen einem Eingang, mit dem der Widerstand 36 verbunden ist. Der Kontaktarm 46 ist mit diesem einen Eingang des Differenzverstärkers 37 und der Kontakt 47 mit dessen Ausgang verbunden.

Beim Betrieb der ersten Integrationsschaltung nach Fig. 19 schließt das über die Eingangsleitung 27 an den Schalter 26 gelegte Eingangssignal den Schalter 26 jeweils und für eine Zeitdauer, während der die Flip-Flop-Schaltung 25 sich im "1"-Zustand befindet. Dies bedeutet, daß der Schalter 26 während der durch die Kurvenform (d) gegebenen Breite der Impulse geschlossen ist. Die Integrationsschaltung nach Fig. 19 integriert deshalb zumindest während eines Teils dieser Zeit. Aufgrund der Tatsache allerdings, daß die Integration nicht nur während der Impulse der Kuryenforxn (d) erfolgt, sondern auch v;ährend der Zeit zwischen diesen Impulsen, muß eine der beiden Intecprationsschaltungen 15 und 16 nach Fig. 19 bzw. 20 während ihres eigenen Integrationsintervalls zurückgestellt werden. Eine solche Rückstellung erfolgt nun während des Intervalls der ersten Integrationsschaltung. Die Differenzierschaltung 41 erzeugt einen Ausgangsimpuls an der Vorderflanke jedes der Impulse der Kurvenform (d). Der Multivibrator 42 erzeugt dann einen Ausgangsimpuls, dessen Vorderflanke mit der Vorderflanke jedes der Impulse der Kurvenform (d) zusammenfällt und dessen Rückflanke auftritt, bevor

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die Rückflanken der Impulse der Kurvenform (d) erscheinen. Das Ausgangssignal des Multivibrators 42 zeigt die Kurvenform (f) nach Fig. 23 . Die Kurvenform (e) entspricht der"Kurvenform (d) , obwohl der Maßstab im Interesse der· Klarheit "geändert wurde.

Das Ausgangssignal des Multivibrators 42 bewirkt am Schalter die Entladung des Kondensators 48. Somit wird der Kondensator vom Schalter 31 überbrückt.

Ist der Kondensator zum Zeitpunkt t nach "Fig. 23 entladen, so würde die Integrationsschaltung an der Null-Linie V beginnend vom Zeitpunkt t an integrieren. Da es Aufgabe der I.ntegrationsschaltung nach Fig. 19 ist, ein maximales Ausgangssignal zum Zeitpunkt t₀ zu erzeugen, welches Unmittelbar proportional der. zeit-. liehen'Breite des in Fig. '23 gezeigten Impulses 49 ist, so würde ein Fehler auftreten/ weil die Zeitdauer (t.. - t_) weggelassen würde. - . ■

Bei der Anordnung nach der Erfindung wird dieser Fehler dadurch ausgeschaltet, daß verhindert wird, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 unter die vorgegebene konstante Spannung E, abfälltt Dies wird durch eine geeignete Vorspannung E₁ am Differenzverstärker 37 erreicht. Dadurch ist eine geeignete' Vorspannung zur Erhaltung von E^ - St_'gewährleistet, wobei S die Steigung der Linie 50 und t = t, - t ist. Man beachte, daß die Linie 50 somit genau durch den Punkt t, V geht, und die Integration übeo: die gesamte Breite des Impulses 49 genau wird.

Wie die Fig. 23 entsprechend dem vorstehend Gesagten veranschaulicht, fällt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 entlang der Kurve 51 ab, integriert entlang der Linie 50 und bleibt bei 52 während einer Zeitdauer zwischen der Rückflanke des Im-

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pulses 49 und der Vorderflanke des Impulses 53 konstant. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 bleibt während des Intervalls entlang der Geraden 52 konstant, da während dieser Zeitdauer der Schalter 26 geöffnet ist.

16/

Die zweite Integrationsschaltung nach Fig. 20 weist eine Eingangsleitung 54 auf, die mit dem "1"-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung verbunden ist. Die Inverterstufe 55 liegt zwischen der Eingangsleitung 54 und der Steuereingangsleitung 56 des Schalters 32. Die Eingangsleitung 38 ist mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden, wie bereits erwähnt. Zwischen dem Schalterkontakt 40 und dem einen Eingang des Verstärkers 58 liegt der Widerstand 57. Der andere Eingang liegt bei 59 an Masse. Wieder liegt ein Kondensator 60 zwischen dem Ausgang und dem mit dem Widerstand 57 verbundenen Eingang des Verstärkers 58. Die Verzögerungsanordnung 18 liegt zwischen der Eingangsleitung 44 und der Steuereingangsleitung 61 des Schalters 33, der den Kontaktarm 62 und den Kontakt 63 aufweist. Der Kontaktarm 62 wird mit dem genannten einen Eingang des Verstärkers 58 verbunden. Der Kontakt 6 3 liegt an dessen Ausgang. Das Ausgangssignal der Verzögerungsanordnung ist durch die Kurvenform (i) in Fig. 23 gegeben. Die Impulsbreite und Lage der Ausgangsimpulse der Verzögerungsanordnung 18 müssen jedoch nicht genau mit der Kurvenform (i) übereinstimmen.

Da der Rückstellvorgang der ersten Integrationsschaltung 15 nach Fig. 19 einen Teil der Breite der Impulse 49 und 53·einnimmt, sind in Verbindung rait der zweiten Integrationsschaltung 16 nach Fig. 20 keine besonderen Vorkehrungen erforderlich. Somit bewirken die Ausgangnimpulse der Verzögerungsanordnung 18 die Rückstellung. Die Ausgangßsignalc der Verstärker 37 und 58 worden durch die Kurvenform (g) bzw. (h) veranschaulicht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 58 fällt aufgrund der Rückstellimpulse 66 entlang der Kurve 65 auf 0 V bei 64 ab. Das Ausgangs-

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signal des Verstärkers 58 bleibt dann zwischen t₃ und t₂ bei O V und integriert von t_ bis t.. Das invertierte Eingangsimpulssignal auf der Steuereingangsleitung 56 beendet die Integration, vnd das Ausgangssignal des Verstärkers 58 bleibt zwischen den Zeitpunkten t. und t auf ,der Geraden 67 konstant.

Die erste Integrationsschaltung 15 und die zweite Integrationsschaltung 16 integrieren also tatsächlich innerhalb des Zeitraums zwischen t_Q und t_ bzw. zwischen t~ und t.. Der Schalter 26 ist somit während der Zeitdauer von t_ bis t^ und der Schalter 32 von t₂ bis t. geschlossen.

Die erste in Fig. 19 gezeigte Integrationsschaltung 15 integriert mit einer Rate, welche proportional der konstanten Spannung E ist.· Die zweite Integrationsschaltung 16 nach Fig. 20 integriert somit mit einer Rate, die direkt proportional der an der Eingangsleitung 38 liegenden Spannung ist, also der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 37 in Fig. 19. Die Spannung der ■Eingangsleitung 38 wird zwischen t~ und t. integriert, da der Schalter 32 während dieser Zeit geschlossen ist.

Die Abtast-Speicher^-Schaltung 10 nach Fig. 21 enthält den Schalter 19 mit dem Kontaktarm 68 und dem Kontakt 69. Die Eingangsleitung 70 des Schalters 19 is,t mit dem Ausgang des Verstärkers 58 nach Fig. .20 verbunden. Der Schalter 19 weist die Eingangssteuerleitung 45 auf, die mit. dem Ausgang des monostabilen Multivibra- ■ tors 42 nach Fig. 19 verbunden ist. Die Abtast-Speicher-Schaltung nach Fig. 21 tastet somit die Amplitude der■Kurvenform (h) zwischen t und t.., zwischen t. und t₅ etc. ab. Es ist zu bemerken, daß der Schalter 19 während der Dauer der Impulse der Kurvenform (f) geschlossen ist. Die Abtast-Speicher-Schaltung 10 nach Fig. 21 kann von herkömmlicher Art sein. Zwischen dem Kontakt 69 und Masse liegt der Kondensator 71. Der eine Eingang des Verstärkers 72 ist mit dem Kontakt 69' des Schalters und der andere Eingang über die Leitung t3 mit Masse verbunden.

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Das Vibrationsdensitometer nach der Erfindung liefert am Ausgang der Abtast-Speicher-Sclialtung 10 eine Gleichspannung, welche direkt proportional der Dichtedifferenz zwischen der Dichte des Strömungsmittels, in das die Densitometersonde eingetaucht ist, und einer bekannten konstanten Dichte ist.

Ist f die Resonanzfrequenz der Schwinge 20', so kann die Perioden· dauer T definiert werden durch

τ - i

f (1)

Das Densitometer nach der Erfindung folgt sehr genau der Gleichung ■

. d = AT² + B/ (2)

wobei d die Dichte sowie A und· B Konstanten sind.

Ist d eine einmal bekannte, fest vorgegebene Dichte für die Periodendauer T , so gilt

^dr ^{= AT}r ^{+ B} ' ⁽³⁾

Nach Subtraktion der Gleichung (3) von Gleichung (2) folgt

d - d_r - A (T² - T²J . (4)

Nach Multiplikation und Division mit der Zahl 4 folgt

d - d_r = 4A (T/2 - T_r/2) (T/2 + T_r/2). (5)

<■)

In Fig. 22 ist das Aui;gaitpsignal des Frequenzteilers 23 durch die Kurvenform (a) wiedergegeben. Es ist zu beachten, daß jeder Impuls eine Periodendauer T und jeder Impuls eine Breite von T/2.

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hat. Ira Ergebnis subtrahiert die Impulsformerschaltung 13 eine bekannte konstante Impulsbreite vom ersten Teil jedes der Impulse (a) . Dieser Teil sei T_r/2. Die Ausgangsimpulse des UND-Gatters 14 werden bei (b) gezeigt. Die Kurvenform (c) ist die invertierte Kuryenform (a). Die Impulse (d) treten am Ausgang der Impulsformerschaltung 13 auf.

Es ist zu beachten, daß die Periodendauer zwischen den Rückflanken der Impulse (d) T beträgt. Die Periode zwischen der Rückflanke des ersten und der Vorderflanke des nächsten ist somit

T - (T/2 - T_r/2) = T/2 + T_r/2 . -" (6)

Die Integrationsschaltungen 15 und 16 liefern daher die Berech^ nung . ' . .... .-""_'■

(T/2 - T_r/2) (T/2 +.T_f/2)_/ (7)

welcher Ausdruck unmittelbar proportional zu d - d ist. Durch Zufügung einer bekannten Konstanten d ist es möglich, die absolute Dichte zu erhalten.

Die Verwendung von d macht eine genauere Berechnung und Meßwert-Übertragung möglich, da lediglich die Differenz d - d berechnet und übertragen wird und xiicht die absolute Dichte d.

Es ist ζ υ. be eicht en _f daß

d^ A (T² - T?) Ί- ä_r (8)

X· J.

d_r = AT^ + B. ■ * (9)

Die'Gleichung (8) gibt das Ausgangsr;Ujnal des Verstärkers 72 als Spannung wieder, die unmittelbar d.proportional ist.

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G.L. SchratCer ~7=

Der Ausgang der in Fig. 21 gezeigten Abtast-Speicher-Schaltung ist mit der Leitung 295 des in Fig. 15 gezeigten Schalters 114 verbunden, die über das Potentiometer 296 und den Widerstand zum Potential Vl führt. Der zur Wicklung 298 gehörende Schleifer 299 des Potentiometers 296 ist über den Widerstand 302 mit dem Minus-Eingang 300 des Verstärkers 198 verbunden, während dessen Plus-Eingang 301 am Potential Vl liegt. Zwischen dem Potential V2 und Massepotential sind der Widerstand 303 und das Potentiometer 304 angeschlossen, dessen zur Wicklung 305 gehörender Schleifer 306 über den Widerstand 307 am Minus-Eingang 300 angeschlossen ist. Vom Ausgang des Verstärkers 198 führt die . Diode 312 zur Basis 311 des Transistors 308, dessen Kollektor am positiven Potential einer entsprechenden Quelle angeschlossen ist und dessen Emitter 310 am Verbindungspunkt 313 liegt. Von diesem Verbindungspunkt führt der Widerstand .314 zum Minus-Ein gang 300 des Verstärkers 198.

über den Widerstand 318 ist der Verbindungspunkt 313 auch mit dem Minus-Eingang 316 des Verstärkers 315 verbunden, dessen (Plus-Eingang 317 am Potential Vl liegt. Ferner führt vom Potential V2 der Widerstand 319 zum Minus-Eingang 316. Am Ausgang des Verstärkers 315 sind die Transistoren 320 und 321 derart angeschlossen, daß die Basis 324 des Transistors 329 direkt am Ausgang des Verstärkers 315 liegt, während der Kollektor 322 des Transistors und der Kollektor 325 des Transistors 321 gemeinsam am Verbindungcpunkt 328 liegen. Der Emitter 323 des Transistors 320 ist mit der Basis 327 des Transistors 321 verbunden, während dessen Emitter am Minus-Eingang 316 des Verstärkers 315 liegt. Das Milliamperemeter 329, die Diode 330 und der Widerstand 331 sind vom Verbindungspunkt 328 aus gesehen in der angegebenen Reihenfolge hintereinandergeschaltet. Die Ausgangsgröße des Schalters 114 auf der Leitung 332 liegt zwischen 4 und 20 mA, wenn der Transistor den Ausgang des Verstärkers 198 nicht nach Masse kurzschließt.

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Andererseits besteht ein konstanter Null-Strom oder ein konstanter anderer Strom zwischen 0 und 4 mA. Der Widerstand 333 liegt zum Milliamperemeter 329 parallel.

Zum Eichen kann der Oszillator 116 nach Fig. 12 eingeschaltet und auf zwei einer bekannten Ausgangsgröße entsprechende Frequenzen eingestellt werden. Das Bereichspotentiometer 296 und das Null-Potentiometer 304 werden dann ebenfalls eingestellt. Die Schalter der Filter.frequenz-Steuerschaltung 22 und der Schalter 106' nach Fig. 18 können falls gewünscht miteinander gekoppelt sein.

Aufgrund von obigem wird hervorgehoben, daß der Synchrondetektor 112 eine dafür empfindliche Anordnung darstellt, daß er feststellt) ob Resonanz Vorhanden ist. Zugleich betätigt er den Schalter.114 zur Erzeugung eines konstanten Ausgangssignals auf der. Leitung 332 und zum Einschalten der Selbstanlauf schaltung 317, wenn keine Resonanz vorliegt..

Es sei hervorgehoben, daß das Densitometer mit der Sonde 10' und der Geberschaltung 401 mindestens.teilweise auch völlig unabhängig vom Meßsystem nach Fig. 1 verwendet werden kann, obwohl dessen Verwendung damit sehr.wertvoll ist. Dies gilt insbesondere für die Selbstanlaufschaltung 117 nach Fig. 12 und/oder deren Kombination mit den anderen in Fig. 12 gezeigten Teilschaltungen ebenso wie für die Phasensteuer- und Niveauveränderschaltungen von Strom und Spannung im Ausgang des Treiberverstärkers 124 und die Anordnung, die die Phasenregelung und die Niveauverschiebung hervorbringt,und schließlich auch für die konstanten Niveaus der entsprechenden Wechselanteile.

Ferner si.id einige Aspekte der Erfindung unabhängig voneinander nützlich, so daß bei Verwendung einzelner oder von Teilkombinationen die Erfindung nicht verlassen wird.

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Die beiden Teilerschaltungen 412 und 416 nach Fig. 1 können völlig üblicher Art sein; falls erwünscht können Sie mit einstellbarem oder festem Teilerverhältnis vorgesehen werden. Falls gewünscht können sie auch unter bestimmten Umständen weggelassen werden.

Die Zähler 414 und 418 können Digitalzähler oder dezimalkodierte Binärzähler oder anderes und vollständig üblicher Art sein. Die Anzeigen 411 und 415 nach Fig. 1 können Direktanzeigen der Binäroder Dezimalanzeigen und ebenfalls völlig üblicher Art sein. .

Ein Teil der Ausgangsgröße des Verstärkers 226 wird auf der Leitung 469 zum Eingangssignal der Leitung 276 im Treiberverstärker 124 nach Fig. 14 wie bereits ausgeführt addiert. Welcher Teil addiert wird, ist von der Größe des Widerstands 471 abhängig.

Der* Verstärker 475 kann ein nichtinvertierender Verstärker sein, während der Verstärker 474 ein invertierender .Verstärker sein kann. Ein einzelner invertierender Verstärker kann die beiden genannten Verstärker ersetzen. Die Kapazität des Kondensators 480 kann 0,1 ,uF betragen. Die Größe des Widerstands 479 bestimmt die Größe der Wechselausgangsspannung des Verstärkers 475. Die Größe des Widerntands 48 3 bestimmt den mittleren Strom durch die Spule 24'.

Parallel zum Widerstand 482 ist kein Kondensator nötig, um den Strom zu mitteln, da der Spannungsabfall am Widerstand 482 sehr, sehr klein iin Vergleich zum Wechselspannungsanteil der Eingangsspannung des Verstärkers 474 ist. Der Widerstand 482 liefert die Eingangaspannungsabweichung (offset) über den Widerstand 483 an den Verstärker 474. Diese der Spule 24" aufgeprägte Spannungsabweichung beträgt 0,1 bis 0,2 V, die relativ konstant bleiben. Die Wechselkomponente der Spannung an der Spule 24" beträgt etwa 25 V Spitze.

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Es sei angemerkt/ daß das Ausgangssignal des Schalters 114 nach Fig. 12 während der Resonanz direkt proportional der Dichte des Strömungsmittels ist, in welches die Schwinge 2O¹ eingetaucht ist. Im selben Fall ist der Ausgang des Schalters 114 auch direkt proportional dem spezifischen Gewicht des Strömungsmittel, da die Differenz zwischen Dichte und spezifischem Gewicht nur in der konstanten Größe der Dichte von Wasser besteht. Daher soll hier und in den Ansprüchen unter dem Ausdruck "spezifisches Gewicht" auch die Dichte und umgekehrt verstanden werden.

29 Patentansprüche

9 Blatt Zeichnungen mit 23 Figuren

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Claims (29)

1149208

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PATENTANSPRÜCHE

Meßsystem zum Bestimmen der Zusammensetzung, der Art der Anteile und des jeweiligen prozentualen Gehalts der Anteile eines Strömungsmittels, gekennzeichnet dutch einen Durchflußmesser (402), dessen Ausgang über einen Vorverstärker (419) und einen monostabilen Multivibrator (420) elektrische Impulse abgibt, deren Frequenz direkt proportional dem Volumendurchfluß des Strömungsmittels ist, ferner durch ein Vibrationsdensitometer (10')_r dessen Ausgang über eine Geberschaltung (4Ο1) ein Signal erzeugt, das direkt proportional dem spezifischen Gewicht des Strömungsmittels ist, ferner durch einen ersten Schalter (408), dessen Kontaktarm (407) mit dem monostabileri Multivibrator verbunden ist, ferner durch einen 'ersten Digitalzähler (414), der mit dem ersten Schalter in Verbindung steht, und durch einen Torgenerator (400), dessen Ausgang mit der Steuerleitung des ersten Schalters verbunden ist und Impulse erzeugt, deren Dauer einem bestimmten Prozentsatz der Periodendauer der Impulse entspricht, wobei dieser Prozentsatz dem prozentualen Gehalt an einem von mindestens zwei unterschiedlichen Anteilen des Strömungsmittels entspricht, wobei ferner der Torgenerator den ersten Schalter in dessen erster Stellung (Kontakt 409) während der Dauer der Erzeugung jeden Ausgangsimpulses und in dessen zweiter Stellung (Kontakt 410) während aller anderen Betriebszeiten hält.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Torgenerator eine Vergleichsschaltung (4 30) enthält, deren eine Eingangsleitung mit der Ausgangsleitung der Geberschaltung (401) verbunden ist und deren Ausgangsleitung mit der Steuerleitung des ersten Schalters in Verbindung steht, ferner eine erste

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Potentialquelle (422) zur Abgabe entgegengesetzt gleicher konstanter Potentiale C⁺E, -E), ferner eine Integrationsschaltung (427) und einend zweiten Schalter (424), der die entgegengesetzt gleichen Potentiale zeitlich abtastet und die somit entstehende Rechteckspannung dem Eingang der Integrationsschaltung zuführt, ferner ein Flip-Flop (434), dessen "O"-Ausgang mit der Steuerleitung des zweiten Schalters, dessen "1"-Eingang mit dem Ausgang einer ersten Detektorschaltung (428) für die obere Grenze und dessen "O"-Eingang mit dem Ausgang einer zweiten Detektorschaltung (429) für die untere Grenze verbunden ist, deren Eingänge gemeinsam am Ausgang der Integrationsschaltung angeschlossen sind_r wodurch der Eingang der Integrationsschaltung mit dem positiven (+E) der beiden entgegengesetzt gleichen Potentiale verbunden wird, . wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung (427) den Schwellwert, des Detektors C429) für die untere Grenze unter-}schreitet, dagegen mit dem negativen konstanten Potential (-E) verbunden wird, wenn das Ausgangssignal der Integrationsschaltung den Schwellwert des Detektors (428) für die obere Grenze überschreitet, und daß die zweite Eingangsleitung der Vergleichsschaltung (4 30) mit dem Ausgang der Integrationsschaltung verbunden ist, wodurch die Vergleichsschaltung Ausgangsimpulse abgibt, deren Dauer derjenigen Zeit entspricht, während der die Amplitude des Ausgangssignals der Integrationssehaltung die Amplitude des Signals der ersten Eingangsleitung der Vergleichsschaltung überschreitet,

3. System nach Anfjpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerte der Detektoren (428, 429) von Hand einstellbar sind.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Detektoren (428, 429) einen mit dem einen

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jeweiligen Eingang am Ausgang der Integrationsschaltung (427) angeschlossenen Differenzverstärker (447, 454) enthält, daß

mit dem anderen Differenzverstärkereingang des Detektors (428) für die obere Grenze eine erste Versorgungsquelle verbunden ist, deren Potential direkt proportional dem spezifischen Gewicht des Strömungsmittelanteils mit dem größten spezifischen Gewicht ist, und daß mit dem anderen Differenzverstärkereingang des Detektors (.429) für die untere Grenze eine zweite Versorgungsquelle verbunden ist_f deren Potential direkt proportional dem spezifischen Gewicht des anderen Strömungsmittelanteils ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Versorgungsquelle einen im Strömungsmittel angeordneten temperaturempfindlichen Widerstand (421) einer temperaturempfindlichen Sonde und eine zweite Potentialquelle enthält und

ϊ ■ ■

daß der temperaturempfindliche Widerstand zwischen der Potentialquelle und dem Differenzverstärker des Detektors angeordnet ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der beiden Versorgungsquellen einstellbar ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen zweiten Digitalzähler (418), der mit dem anderen Kontakt (410) des ersten Schalters (408) in Verbindung steht, und durch eine derartige Ausbildung des ersten Schalters, daß der Ausgang des üurchflußmessers (402) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Digitalzähler in Verbindung gebracht wird.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Digitalzählern (414, 418) jeweils eine in Volumeneinheiten geeichte Anzeige-Einrichtung (411, 415) nachgeschaltet ist.

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9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsdensitometer aus einer Sonde (10¹J mit einer in das Strömungsmittel eingetauchten sehwingfähigen Schwinge (20') besteht, ferner aus einem an der Sonde montierten, eine Spule (.24^f) und einen magnetostriktiven Körper (21*) enthaltenden magnetostriktiven Antrieb (104), wobei der magnetostriktive Körper in einer zum Antrieb der Schwinge geeigneten Lage angeordnet' ist, ferner aus einem an der Sonde angeordneten Aufnehmer, der ein Wechselsignal abgibt, dessen Frequenz gleich der Schwingfrequenz der Schwinge ist, und aus dem Aufnehmer zugeordneten Mitteln, die eine niveauverschobene Wechselspannung der Spule zuführen, die gleichphasigmit dem Ausgangssignal des Aufnehmers ist und deren Mittelwert größer als null und deren Amplitude· so groß ist, • daß der Spulenstrom nur in einer Richtung fließt.

10, System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinge (20') als rechteckiges dünnes Plättchen ausgebildet ist und lediglich an ihren Längskanten gehaltert ist, daß der Aufnehmer aus einem piezoelektrischen Kristall (30¹) besteht, der an der einen Längskante angeordnet ist, daß die Sonde aus einem inneren (26¹, 27') und einem äußeren Zylinder (13¹) besteht, innerhalb ersterem die Schwinge gehaltert ist und welch letzterer eine durchgehende Bohrung aufweist, die auf dem Zylinder um 90 gegen den Kristall versetzt ist, daß dar magnetostriktive Körper (21') sich durch diese Bohrung bis zum Eingriff in den inneren Zylinder um 90 gegen den Kristall auf dem Zylinder versetzt erstreckt, wodurch der veränderliche Kontaktdruck des magnetostriktiven Körpers auf den inneren Zylinder die Schwinge zu Schwingungen anregt, wenn an die Spule eine niveauverschobene Wechselspannung angelegt ist.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (30¹) ungefähr in der Mitte der Seitenlänge der Schwinge (20¹) angeordnet ist.

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12. System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die dem Aufnehmer zugeordneten Mittel eine erste Schaltung zum Aufrechterhalten eines mittleren Stromes durch die Spule aufweisen, der konstant und unabhängig von irgendwelchen temperatur- oder anderweitig bedingten Widerstandsänderungen der Spule ist,

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Aufnehmer zugeordneten Mittel eine zweite Schaltung umfassen, die ein Ausgangssignal vorbestimmter Frequenz abgibt, die ungefähr gleich ist der Frequenz des Ausgangssignals des Kristalls und eine Phase aufweist, die ebenfalls ungefähr gleich ist dieser Phase, ferner eine dritte Schaltung zur Abgabe eines Ausgangssignals der vor-bestimmten Frequenz, die jedoch um 90 bezüglich des Ausgangssignals der zweiten Schaltung phasenverschoben ist, und eine vierte Schaltung, ■ die die zweite und dritte Schaltung mit der Spule verbindet und den Viechselanteil der niveauverschobenen Wechselspannung der Spule einprägt, welcher Anteil direkt proportional der Summe eines Teils der Ausgangsgröße der zweiten und dritten Schaltung ist.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schaltung ein Abgleichtliter (109) enthält, ferner eine zwischen dem Kristall und dem Eingang des AbgleichfLiters angeordnete fünfte Schaltung, die dem Eingang des Abgleichfilters ein Wechselsignal zuführt, das um 90 gegenüber dem Kristallausgangssignal phasenverschoben ist, daß das Abgleichfilter (109) einen Verstärker (226) und einen ersten Widerstand (218) sowie einen ersten (224¹) und einen zweiten Kondensator (224) enthält, wobei der erste Widerstand (228) zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers (227) angeordnet ist und der zweite Kondensator (224) dem Eingang des Verstärkers (226) vorgeschaltet ist, daß die zweite

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Schaltung eine Filterfrequenz-Steuerschaltung (122) und einen Phasendetektor (120) enthält, welch erstere zwischen dem Phasendetektor und dem gemeinsamen Verbindungspunkt (229) der beiden Kondensatoren angeordnet ist, während der Phasendetektor zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Abgleichfilters liegt, und daß das Ausgangssignal der zweiten Schaltung über den gemeinsamen Verbindungspunkt der Kondensatoren der vierten Schaltung zugeführt,ist, während das Ausgangssignal der dritten Schaltung über den gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren vom Ausgang des Verstärkers zur vierten Schaltung führt.

15. System nach Anspruch 14 _t dadurch gekennzeichnet, daß die vierte· Schaltung einen zweiten Widerstand (470) aufweist, dor vom gemeinsamen Verbindungspunkt (229) zu einem Eingangsverbindungspunkt (472) führt, ferner einen dritten Widerstand (471), der vom Ausgang des Verstärkers (226) zum Eingangsverbindungspunkt führt, ferner einen vierten Widerstand (47 der vom Eingangsverbindungspunkt zu einem ersten Referenzpotential führt, ferner einen fünften Widerstand (482), der vom einen Ende der Spule (24') zu einem zweiten Referenzpotential führt, das unterschiedlich vom ersten Referenzpotential ist, ferner einen sechston Widerstand (483), der vom einen Ende dor Spule zum Eingangrsverbindungspunkt führt, ferner einen dritten Kondensator (480) und einen siebten Widerstand (479), die zwischen dem anderen Ende der Spule und den Eingangsvr-.rbindungspunkt in Serie liegen, und daß vorn Eingan<ir.verbindung.¹.;-punkt zum einen Ende der Spule Verstärker (474, 475) führen.

16. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schaltung einen Eingangsverbindungspunkt (472) aufweist, der über einen ersten Widerstand (471) mit der dritten Schaltung, über einen'zweiten Widerstand (470) mit der zwei-

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ten Schaltung und über einen dritten Widerstand (473) mit einem ersten Referenzpotential verbunden ist, ferner einen vierten Widerstand (481), der vom einen Ende der Spule (24') zu einem zweiten Referenzpotential führt, das unterschiedlich vom ersten Referenzpotential ist, ferner einen fünften Widerstand (483), der vom einen Ende der Spule zum Eingangsverbindungspunkt führt, ferner einen Kondensator (480) und einen sechsten Widerstand (479), die zwischen dem anderen Ende der Spule und dem Eingangsverbindungspunkt in Serie liegen, und daß vom Eingangsverbindungspunkt zum einen Ende der Spule Verstärker (474, 475) führen.

17. System nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die dem Aufnehmer zugeordneten Mittel Verstärker (474, 475) enthalten, deren einer Eingang mit dem Aufnehmer und deren Ausgang mit dem einen Ende der Spule (24¹) verbunden ist, ferner einen ersten Widerstand (481), der vom anderen Ende der Spule zum einen Referenzpotential führt, ferner einen zweiten Widerstand (48 3), der vom anderen Ende der Spule zum Eingang der Verstärker führt, und schließlich ein einen Kondensator enthaltendes Rückkopplungsnetzwerk, das vom einen Ende der Spule zum Eingang der Vorstärker führt.

18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsnetzwcrk einen dritten Widerstand (479) enthalt:.

19. System nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (229, 474, 475) invertierende! Verstärker sind.

20. Systöm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsdensitometer aus einer in einer Lage befestigten Sonde (10*) besteht, ferner aus einer an der Sonde befestigten Schwinge (20¹), die in Kontakt mit einem

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Strömungsmittel schwingfähig ist, ferner aus einem in einer solchen Lage an der Sonde montierten Antrieb (104), daß die Schwinge vibriert, wenn ein Wechselsignal an den Antrieb angelegt' ist, ferner aus einem benachbart zur Schwinge angeordneten Aufnehmer, der ein der Schwingungsfrequenz der Schwinge gleichfrequentes Ausgangssignal abgibt, ferner aus einer Anordnung, die zwischen dem Aufnehmer und dem Antrieb ange- ordnet ist und die ein Wechselsignal dem Antrieb zuführt, dessen Amplitude größer als die des Aufnehmersignals, jedoch von gleicher Frequenz und Phase ist, wobei die Anordnung einen Verstärker umfaßt, ferner eine zwischen dem Aufnehmer und dem Verstärkereingang angeordnete erste Schaltung, ferner eine vom Verstärkerausgang zum Antrieb führende zweite Schaltung, ferner eine Selbstanlaufschaltung (117), die mit • dem Verstärkereingang verbunden ist und diesem ein Selbstanlauf-Wechselsignal zuführt, dessen Frequenz periodisch und 'kontinuierlich über ein vorgegebenes Frequenzband veränderlich ist.

21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstanlaufschaltung (117) einen ersten frequenzvariablen Oszillator (466) enthält, der zwischen einem zweiten Oszillator (467) und dem Verstärker angeordnet ist, und daß der zweite Oszillator auf einer niedrigeren Frequenz als der erste Oszillator schwingt.

22. System nach Ansprvich 20 oder 21, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung, die dem Ausgang des Verstärkers zugeordnet ist und das Ausgangssignal der Selbstanlaufschaltung reduziert, "wenn die Schwinge in Resonanz gekommen ist.

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Selbstanlaufschaltung auf null gebracht ist, wenn die Schwinge Resonanz oireicht hat.

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24. System nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Synchrondetektor (112} enthält, der vom Eingang und Ausgang des Verstärkers zur Selbstanlaufschaltung führt.

25· System nach Anspruch.24_f dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstanlaufschaltung ein Gatter (467) enthält, über das der erste Oszillator (466) mit dem Verstärkereingang verbunden ist, und daß der Ausgang des Synchrondetektors (112) mit dem Gatter verbunden ist, wodurch das Gatter in Abhängigkeit von der Amplitude des Ausgangssignals des Synchrondetektors geöffnet oder geschlossen wird.

26. System nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter vorgesehen 1st, der das Fehlen der Resonanz anzeigt und am Ausgang des Verstärkers angeordnet ist, wobei

der Ausgang des Cynchrondetektors mit dem Schalter derart verbunden ist, daß dieser je nach vorhandener oder nicht vorhandener Resonanz gesteuert wird.

27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichent, daß der Schalter mit einer Ausgangsschaltung verbunden ist und derart ausgebildet ist, daß er das Ausgangssignal der Ausgangsschaltung auf einer Amplitude festhält, die für den Fall nichtvorhandener Resonanz axißerhalb deren Betriebsbercich liegt.

28. System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter das Ausgangssigna] dor Ausgangsschaltung bei nichtvorhandener Resonanz konstant hält.

29. System nach Anspruch 22 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Selbstanlaufschaltung auf null reduziert ist, wenn die Schwinge in Resonanz gekommen ist.

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