用于測(cè)量流體密度的方法
【專利說(shuō)明】用于測(cè)量流體密度的方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及根據(jù)從共振的振蕩模式的周期時(shí)間得出的彎曲振蕩器的周期時(shí)間確 定密度的方法，其中從自由衰減地振蕩的振蕩器確定周期時(shí)間并且在強(qiáng)迫的無(wú)衰減振蕩和 具有振蕩的減小的幅度的自由振蕩之間定期轉(zhuǎn)換。用于執(zhí)行方法的布置或者根據(jù)本發(fā)明的 彎曲振蕩器除了激勵(lì)回路和頻率和幅度測(cè)量的部件W外還包括定期切換的斷路器，該斷路 器中斷用于測(cè)量的激勵(lì)回路。
[0002] 用彎曲振蕩器測(cè)量流體介質(zhì)的密度基于下列事實(shí)，用要檢查的樣本填充的空屯、體 的振蕩取決于振蕩器管的填充，即質(zhì)量或者如果體積恒定，取決于填充的接著的密度。
[0003] 測(cè)量元件包括可振動(dòng)的形狀，即空屯、的，U形彎曲的，玻璃或金屬管體。它可WW 電氣方式激發(fā)到振蕩。U形管的兩個(gè)臂形成振蕩器的彈性組件。U形的振蕩器管的固有頻 率僅由樣本的該部分影響，其實(shí)際參與振蕩。運(yùn)個(gè)參與振蕩的體積V通過(guò)靜止振蕩結(jié)節(jié)限 制在振蕩器管的夾緊位置上。如果振蕩器管至少用樣本填充到運(yùn)個(gè)夾緊位置，總是相同的 準(zhǔn)確定義的體積V參與振蕩，則樣本的質(zhì)量在此可W與其密度成比例地假定。此外振蕩器 在夾緊位置至少的過(guò)填充對(duì)于測(cè)量是無(wú)關(guān)緊要的。出于運(yùn)個(gè)原因還可W用振蕩器測(cè)量流過(guò) 振蕩器的流體的密度。
[0004] 流體的密度因此確定U形的管振蕩的特定頻率。如果使用精確-玻璃管或金屬 管，則根據(jù)液體的密度和粘性改變其特性。共振頻率通過(guò)適當(dāng)激發(fā)并且減小振蕩分析并且 根據(jù)周期時(shí)間確定填充的流動(dòng)樣本的密度。振蕩器用已知密度的流體校準(zhǔn)并且因此可分析 測(cè)量。
[0005] 對(duì)于周期時(shí)間P和密度P -般適合
[0006] 運(yùn)樣的密度振蕩器或者彎曲振蕩器從很久W前就已知了并且在不同的實(shí)施方式 中關(guān)于激發(fā)并且減退振蕩來(lái)制造。用于激發(fā)和減退產(chǎn)生的固有振蕩的不同部件可W例如借 助于電磁線圈和磁體，實(shí)現(xiàn)壓電元件，電容掃描等等。在此該部件優(yōu)選如此安裝到振蕩器， 使得其不是檢查的固有振蕩的結(jié)節(jié)點(diǎn)。
[0007] 為了對(duì)于該測(cè)量得到較高精度的結(jié)果，振蕩器必須如此實(shí)施，使得它經(jīng)歷盡可能 小的減弱或者具有高品質(zhì)。
[0008] 振蕩器的高品質(zhì)導(dǎo)致共振頻率的窄帶寬。因此不實(shí)用的是，固有頻率用無(wú)方向的 激發(fā)（例如噪聲）或單獨(dú)脈沖激發(fā)。
[0009] 激發(fā)用周期的信號(hào)，例如矩形脈沖或正弦波實(shí)現(xiàn)。運(yùn)可W通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)回路或通 過(guò)相移的反饋實(shí)現(xiàn)。
[0010] 在調(diào)節(jié)回路中用減退信號(hào)調(diào)整到例如最大幅度并且因此彎曲振蕩器的固有振蕩。 振蕩器如此激發(fā)到W其共振頻率的強(qiáng)迫的振蕩并且根據(jù)確定該振蕩的周期時(shí)間確定在振 蕩器中填充的介質(zhì)的密度。
[0011] 通過(guò)反饋-回線振蕩的減退部件的輸出信號(hào)在機(jī)械系統(tǒng)上相移90度，放大并且該 周期的信號(hào)用于激發(fā)振蕩器。因此彎曲振蕩器W強(qiáng)迫的振蕩來(lái)振蕩。
[0012] 圖I示出運(yùn)種激勵(lì)放大器的原理電路圖： 彎曲振蕩器1固定在保持部件2中。在此激發(fā)例如借助于在振蕩器的第一臂的夾緊位 置附近的壓電元件3實(shí)現(xiàn)，其用在振蕩器的第二臂上的第二壓電元件4實(shí)現(xiàn)減退。相位轉(zhuǎn)動(dòng) 器6和放大器7組合地形成簡(jiǎn)單激勵(lì)放大器。放大減退部件的輸出信號(hào)并且相位轉(zhuǎn)動(dòng)90° 并且饋入到用于振蕩激發(fā)的部件。用運(yùn)種激勵(lì)放大器振蕩器可W在共振振蕩的狀態(tài)中變成 "高振蕩"。振蕩的周期時(shí)間或者頻率用頻率測(cè)量器5測(cè)量并且對(duì)分析單元饋送用于密度確 定。
[0013] 已知彎曲振蕩器根據(jù)運(yùn)個(gè)原理用模擬和數(shù)字激勵(lì)放大器運(yùn)行并且根據(jù)振蕩器的 頻率或者周期時(shí)間W已知的方式得出要檢查的流動(dòng)介質(zhì)的密度。
[0014] 流動(dòng)介質(zhì)的實(shí)際密度大大地取決于溫度。運(yùn)通常將至少測(cè)量和/或全體振蕩器或 者樣本W(wǎng)合適的部件（例如巧爾貼元件）加溫到確定測(cè)量溫度。
[0015] 如果用彎曲振蕩器確定密度，則由于在振蕩器中不同粘性的相同密度的樣本的不 同特性樣本的粘性還具有對(duì)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)大的影響并且必須進(jìn)行考慮。除了其對(duì)得出的 密度的影響W外粘性首先還通過(guò)其對(duì)振蕩器的衰減或者品質(zhì)的影響表現(xiàn)。
[0016] 用于修正粘性有關(guān)的密度值的最不同的方法是已知的，其分析對(duì)于運(yùn)個(gè)衰減表達(dá) 的參數(shù)并且校正密度測(cè)量。運(yùn)大多基于附加激發(fā)的振蕩在所謂的高次波（化erwellen)的 范圍中通過(guò)考慮用于激發(fā)的相位關(guān)系實(shí)現(xiàn)。備選地已知例如重疊的調(diào)節(jié)回路的使用，其改 變激發(fā)信號(hào)的幅度，W便獲得不變的振蕩幅度。通過(guò)激發(fā)信號(hào)帶來(lái)的能量因此對(duì)應(yīng)于系統(tǒng) 的衰減并且可W考慮用于品質(zhì)確定。
[0017] 然而品質(zhì)測(cè)量在此還可通過(guò)測(cè)量衰退的幅度在周期地解開(kāi)激勵(lì)器的情況下實(shí)現(xiàn)， 運(yùn)在理論上是用于得到品質(zhì)的優(yōu)化解決方案。由此避免激發(fā)的每個(gè)不準(zhǔn)確性（例如濾波器 的非線性和/或相位干擾，等等）。
[0018] 在振蕩器的高使用的品質(zhì)的情況下然而它具有長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間的缺點(diǎn)，總是表示僅一 個(gè)單獨(dú)測(cè)量并且還影響強(qiáng)迫的振蕩的周期時(shí)間。在此優(yōu)選地在振蕩之后不執(zhí)行振蕩器的中 斷。
[0019] 在所有運(yùn)些已知的布置中強(qiáng)迫的基本振蕩的周期時(shí)間通常用于分析來(lái)進(jìn)行密度 測(cè)量。
[0020] 例如在幅度調(diào)制的情況下運(yùn)種的步驟的缺點(diǎn)是，沒(méi)有準(zhǔn)確測(cè)量共振頻率，運(yùn)是因 為非線性扭曲（電子設(shè)備，IIR濾波器）W及ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和/或DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換 器）-信號(hào)的時(shí)間延遲（時(shí)間量化）起了作用。
[0021] 附加地振蕩器的高品質(zhì)和因此由此導(dǎo)致的小帶寬要求在1/1000... 1/2000的數(shù) 量級(jí)的固有頻率中的非常小的調(diào)制頻率。
[002引例如對(duì)于在300Hz (玻璃振蕩器）至Ij 5000Hz (金屬）的范圍中的共振頻率，和1(>-5'000(玻璃）和10. . 14'000(金屬）的品質(zhì)值，使用在1/3. .. 1/10化的范圍中的調(diào)制頻 率。因此對(duì)于周期經(jīng)過(guò)得出3''' 10秒。
[0023] 調(diào)制頻率越小，品質(zhì)的衰退測(cè)量持續(xù)越長(zhǎng)，運(yùn)是因?yàn)橥ǔＵ{(diào)制頻率的每周期一次 新測(cè)量值可用。因此根據(jù)介質(zhì)每3到10秒。附加地根據(jù)要求的精度需要額外的平均。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在提出，組合借助于強(qiáng)迫的振蕩的周期時(shí)間的確定（持續(xù)測(cè)量方 法，并行相位調(diào)整）的優(yōu)點(diǎn)和用于測(cè)量品質(zhì)的衰退特性的與激發(fā)無(wú)關(guān)的測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)并且振 蕩器的品質(zhì)和周期時(shí)間直接用持續(xù)衰退測(cè)量檢查并且關(guān)于粘性校正分析密度。
[0025] 在此通過(guò)衰退特性的周期的測(cè)量不再存在僅單獨(dú)測(cè)量的缺點(diǎn)。因?yàn)槊芏群驼承孕?正的全體確定根據(jù)衰退特性實(shí)現(xiàn)，來(lái)自激勵(lì)放大器回路的重新振蕩升高的周期-或者相位 測(cè)量的影響還不再是問(wèn)題。
[0026] 在此此外可W在振蕩器的較小品質(zhì)的情況下達(dá)到較高精度。
[0027] 圖2示出本發(fā)明的原理電路圖：激發(fā)或者激勵(lì)器單元13將振蕩器11置于共振 中。運(yùn)可W通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)回路或通過(guò)相移的反饋實(shí)現(xiàn)。（例如-90°振蕩器的共振條件）。 運(yùn)允許準(zhǔn)"無(wú)調(diào)節(jié)器"的激勵(lì)器的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)是因?yàn)?90°相位轉(zhuǎn)動(dòng)表示純信號(hào)變換-相比于 調(diào)節(jié)的振動(dòng)器其基于相位比較（輸出/輸入）調(diào)節(jié)到-90°點(diǎn)。振蕩的周期時(shí)間或者頻率 用頻率測(cè)量器15測(cè)量并且對(duì)分析單元饋送用于密度確定。
[002引根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在提出，強(qiáng)迫的共振的振蕩的周期時(shí)間和幅度僅在退禪激勵(lì)器之后 確定，即僅檢查彎曲振蕩器的衰退的振蕩。因此激發(fā)對(duì)測(cè)量自身沒(méi)有影響-并且還不需要 關(guān)于當(dāng)前測(cè)量循環(huán)的信息。開(kāi)關(guān)或者斷路器19為此定期中斷振蕩器激發(fā)。激勵(lì)回路對(duì)于 時(shí)期tl通過(guò)該開(kāi)關(guān)19中斷并且檢查振蕩器11的衰退特性。之后開(kāi)關(guān)再次封閉并且激勵(lì) 回路13強(qiáng)制在其衰減的自由共振中振蕩的振蕩器11再次在強(qiáng)迫的無(wú)衰減中振蕩。優(yōu)選地 激勵(lì)回路如此封閉直至振蕩器的強(qiáng)迫的共振振蕩在最大的幅度中振蕩或者達(dá)到最大幅度。
[0029] 圖3示出振蕩器的運(yùn)種衰退。在退禪激勵(lì)回路之后在時(shí)間點(diǎn)t振蕩的幅度隨著時(shí) 間根據(jù)振蕩器的品質(zhì)更快或更慢衰退。實(shí)際共振頻率或者周期時(shí)間PO在此從強(qiáng)迫的振蕩 (周期時(shí)間Pl)輕微偏離，運(yùn)是因?yàn)樵谶\(yùn)里忽略激勵(lì)回路的非線性和時(shí)間誤差并且自由振 蕩器在其共振頻率振蕩。在此為了清楚附圖示出周期時(shí)間的大大夸張描繪的差異。
[0030] 圖4示出激勵(lì)器的周期的接通和切斷的視圖（開(kāi)關(guān)在位置SO -振蕩器在共振中 高振蕩），其具有根據(jù)時(shí)間的幅度A的對(duì)應(yīng)的信號(hào)。
[0031] 幅度隨著振蕩過(guò)程增加。在此幅度曲線在激發(fā)的情況下跟隨1、、、、. 類型的函 數(shù)。
[0032] 在時(shí)間點(diǎn)tl打開(kāi)開(kāi)關(guān)（開(kāi)關(guān)在位置SI),在此振蕩器衰減地振蕩，幅度示出衰退特 性并且在運(yùn)個(gè)時(shí)間段中關(guān)于頻率和幅度分析振蕩。在時(shí)間點(diǎn)t2開(kāi)關(guān)再次封閉，振蕩器再次 高振蕩并且強(qiáng)迫的振蕩再次激發(fā)。運(yùn)個(gè)過(guò)程定期重復(fù)（t3，t4,…） 運(yùn)個(gè)周期的控制可例如分別通過(guò)振蕩的幅度信號(hào)實(shí)現(xiàn)，不但在起振中而且在衰退中可 W考慮確定幅度值的達(dá)到并且由此考慮周期用于切換開(kāi)關(guān)19。必須地還可W直接進(jìn)行激勵(lì) 放大的非嚴(yán)格的周期的接通和切斷。幅度不一定下降到〇(完全結(jié)束）而是可W已經(jīng)較早 再次禪合。
[0033] 因此可能的是振蕩器的周期或者頻率在衰退過(guò)程期間測(cè)量，并且同時(shí)消除激發(fā)的 所有實(shí)現(xiàn)有關(guān)的偏離，因?yàn)檫\(yùn)個(gè)在衰退測(cè)量期間不被施加到振蕩器。
[0034] 此外振蕩器的頻率的測(cè)量可W用頻率比較測(cè)量執(zhí)行，其非常準(zhǔn)確。（顫動(dòng)的相 漂）。
[0035] 因?yàn)榧ぐl(fā)是測(cè)量無(wú)變化的，所W可W非常快地在衰退和激發(fā)模式之間轉(zhuǎn)換（每秒 多次）。
[0036] 在本發(fā)明的有利的實(shí)施方式的情況下可W規(guī)定，衰退過(guò)程在預(yù)定的時(shí)間間隔之后 或在達(dá)到預(yù)定的幅度值的情況下中斷并且通過(guò)推斷得出的幅度值計(jì)算品質(zhì)和/或衰退窗 口的寬度或者選擇用于衰退的時(shí)間間隔保持或者選擇為不變。
[0037] 因此衰退過(guò)程不必完全實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫€可W通過(guò)用小幅度下降推斷幅度值計(jì)算品 質(zhì)。因此衰退窗口可W具有恒定的與振蕩器的填充無(wú)關(guān)的寬度。品質(zhì)測(cè)量的精度因此隨下 降的品質(zhì)上升，因?yàn)楣潭ㄋネ舜翱趦?nèi)的幅度差別變大-并且因此關(guān)于固定噪聲的差別。
[0038] 優(yōu)選對(duì)于相應(yīng)振蕩器確定接通和切斷的間隔。根據(jù)檢查的共振振蕩的品質(zhì)和幅度 通過(guò)衰退激發(fā)的時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間A 10: A Tl可位于比例1:1到1:3中。運(yùn)還由提供 的"激發(fā)-能量"，即在壓電晶體上的電壓，通過(guò)線圈的電流，影響，因?yàn)橥ㄟ^(guò)較高帶來(lái)的能 量可實(shí)行較短的起振時(shí)間）。
[0039] 在此優(yōu)選規(guī)定，中斷激勵(lì)放大的斷路器或者開(kāi)關(guān)19,僅安裝到激勵(lì)放大器回路的 輸出。因此激勵(lì)放大的振蕩回路還可W在中斷的情況下與彎曲振蕩器的周期彼此在同相并