專利名稱:測量液體密度的方法與裝置的制作方法
本發明涉及用測量傳感器測量液體密度的方法和裝置，此測量傳感器放置在液體中，且決定振蕩器的頻率。
人們知道，液體的靜壓作用在一塊膜片上時，在液壓作用相反的方向，膜片受到其內部彈簧的作用力來抵消液體的壓力。液體的密度不同，膜片受到的液壓也不同，因此可以用膜片移動的多少來度量液體的密度。這種熟知的測量裝置必須平衡相當大的彈力，因此，這種方法是不精確的。而且這樣的測量結果隨溫度變化，這種原因導致了不可能達到高的測量精度。本發明要解決的問題是，改造測量液體密度的方法和裝置，使極小的密度差都能精確測量，而且測量結果不受外界影響，特別是不受溫度變化的影響。
按照本發明，這個問題是如下解決的，測量被測液體和基準液體的液壓，用其壓力差改變一個可以產生機械振動的元件的張力，從而利用這個元件的振動頻率來測定被測液體的密度。
由此設計一靜壓天平，用此天平可對被測液體與基準液體始終進行比較而不需要機械的手段來補償被測液體的壓力。從而獲得了高的測量精度，且不受外界的影響，特別是不受過程壓力起伏和溫度變化的影響。測量可以直接在主流中進行，測量裝置始終被主流環流，因此在清洗整個設備時，測量裝置也同時被清洗。
特別有利的是，用這種方法和裝置，不僅可以測量液體的密度，而且還可以通過測量密度推算出所有與密度有關的物理量。如液體中的酸含量，麥芽計含量，糖含量，油脂含量，或者碳酸含量。
特別有利的是，當被測液體的壓力在膜片或波紋盒的一側，而基準液體在膜片或波紋盒的另一側時，直接地或用傳動部件在膜片或波紋盒上固定住可振動元件，因此它的結構特別簡單而又牢固。此處，可以借助一傳動液體，把被測和基準液體的壓力加在膜片或波紋盒的一側，傳動液體位于第二塊膜片或第二波紋盒的一側，其另一側是被測液體或基準液體。
可供選擇的另一種建議是被測液體的壓力加在第一塊膜片或第一個波紋盒的一側，而基準液體放在第二塊膜片或第二個波紋盒的與此相對的一側，在膜片或波紋盒中間的振動元件是拉緊的。這種結構不會使作用在測量裝置上的溫差，及由溫差引起的材料膨脹作為誤差引入測量結果。
對于振動元件的維修及更換，下面談到的這種制作很簡單及容易實現，把可振動元件封入一個允滿氣體例如空氣的管子內，管子一端封死，并固定住可振動元件的一端，而元件的另一端則固定在膜片或波紋盒上。
為防止可振動元件在拉力方向超負荷，要在可振動元件的固定點的至少一個上有過載保護。
膜片與被測液體接觸且與被測液體流動方向平行是很有利的，這樣，就可避免被測液體在膜片上自己形成滯速壓力，這個滯速壓力會引入測量結果誤差。
為使基準液體始終與被測液體保持相同的溫度，建議把基準液體灌入另外一個在被測液體中向下垂直的管子內。此處，灌滿基準液體的向下垂直的管子也可以與一個充滿基準液體的波紋盒連通，而波紋盒是位于被測液體內部的。在此應該確保基準液體不與被測液體混合，但始終保持被測液體的溫度。
下述方法可使壓力差測量簡單而精確。可振動元件中通以電流，此元件構成振蕩回路的一部分，此時可振動元件切割磁場，并且根據回路電流的起伏而振動。為此，特別建議，裝在元件側面的電磁鐵，最好用永磁鐵產生磁場。
可振動元件是一段長的易彎曲的導電材料特別有利。例如，一根弦，一根導線，一根管子，一塊薄膜或者一個彈性元件，此時可振動元件可以與一個測量儀器用導線連接起來，該儀器組成振蕩回路的另一部分，同時此儀器顯示出相應的振蕩頻率及液體密度。
當可振動元件裝在隔離開兩種液體的兩個膜片間時，就獲得了一種簡單而又非常精確的測量裝置。
一種特別簡單的結構，在外面安裝，容易維護，也易修理，用下面的方法加以實現。被測液體通過一根管子，一個盒子或者一個容器，其側面壁上最少開一孔，在孔上固定一塊膜片或者聯接一個波紋盒。如果有兩個孔會更好，在第一孔處固定第一塊膜片，其正面是被測液體，背面是基準液體。在第二孔處固定第二塊膜片，其正面是被測液體，其背面與可振動的機械元件直接或間接聯接在一起。此外，這個振動元件還受到基準液體的影響。下面的方法也是很好的，在一孔的外側裝上小盒子，盒子用蓋封住，尤其用夾緊螺母封住最好，它把裝有膜片的零件頂到孔的邊緣處。
此外進一步建議，用一根導管把裝有膜片的零件的內部連接起來，而導管延伸在管子、盒子或者容器的外面。
圖1 示出此裝置的垂直剖面;
圖2 示出圖1中下半部的剖面;
圖3 示出一種選擇裝置左側部分的垂直剖面。
一個垂直的管裝盒子1，放在一個圖中沒有畫出的導管當中，導管里充滿了被測液體。在圖中的結構示例中，被測液體由下向上流動。具有較大橫截面的盒子1作為液體通路，因為盒子1中放了測量裝置2，它使盒子1的通流有效斷面變小，盒子1有較大的橫截面是為了保證盒子1的通流有效斷面不小于導管的通流有效斷面。
盒子1中與軸平行在邊緣處固定著管子3，在它周圍流過被測液體4，而其直徑比盒子1小很多倍。管子3中有基準液體5，它是一種與被測液體很相似的液體，例如被測液體是汽水，基準液體就可能是水。
管子3的下端與腔體6連接，如局部剖面圖所示，垂直的側壁7上有垂直膜片8。在膜片的一側是基準液體5，膜片的另一側是傳動液體9，例如用流動性好的油，膜片8背面的空間經管道10與空間11相聯接，在管道中充滿了傳動液體9。空間11是在與膜片8相對的一側由與8平行的第二塊膜片12圍成的，液體4在膜片12的外側，而且膜片12平行于液體4的流動方向。液體4作用在膜片12上的靜壓差，經管道10中的液體9傳送到膜片8的內側。
由于膜片8的內側受到被測液體4的靜壓，外側受到基準液體5的靜壓，因而膜片8根據兩種液體4與5的靜壓差而運動。這里有一點是很重要的，即基準液體的靜壓保持不變，因為基準液體5的液柱h始終是保持不變的，同樣比重r1也是不變的，基準液體的高度h同時也意味著是被測液體的測量高度。相反，由于被測液體4的密度不同，它的比重r2也不同，于是在膜片8上的壓力差△P等于(h×r2)-(h×r1)，在此公式中，只有數值r2改變，因此在膜片8上測出的壓力差，直接標志著被測液體的比重，從而求出它的密度，即△P對應于r2。在靜壓(h×r1)和(h×r2)上疊加的高出好幾倍的過程壓力，以相同的大小作用于膜片8的兩側，因而相互抵消。
在膜片8上出現的運動被傳遞給測量裝置11，此測量裝置有一個可振動元件13，例如，一根振動的金屬絲，它兩端是拉緊的。金屬絲13的一端13a固定在膜片8的中心，這個固定位置是由過載保護裝置13a構成的，為此13a有一彈性元件14。
元件13的另一端固定在與膜片8相對的一側的圓柱體15上。此圓柱體封住水平位置的金屬管16的一端，這個金屬管的軸心位置安置元件13。金屬管16面向膜片8的另一端，牢牢固定在測量系統11的下半部的盒子17上。金屬管16中充滿氣體，例如空氣，元件13可在管中振動。元件13是可導電的，并構成振蕩回路的一部分，引線18與園柱體15連接，另一條引線19與盒子17連接，因為金屬管16和園柱體15用絕緣密封套或密封環20與盒子17絕緣，所以經引線19的電流只能經過盒子17再經過裝置13及膜片8到達元件13。金屬管16橫跨盒子17中的一個內室21，在內室中固定一塊永久磁鐵22，金屬管被圍在磁鐵中間。
金屬絲狀的元件13是一個振蕩回路的組成部分，元件13的振動頻率是由它的張力決定的，而張力來自拉力，拉力是由膜片8產生的。引線18和19通到外面，與一個電學儀器23連接，里面有振蕩回路的另一組成部分。振蕩回路又是電學儀器中的振蕩器的一部分。振蕩器的頻率由元件13的張力決定，元件13的機械振動與磁鐵22相互作用經電磁感應轉變成交流信號，因此振蕩器顯示出電學儀器中或等效的電學儀器中振蕩回路的振蕩頻率，此頻率是隨被測液體的密度而改變的。這個振蕩信號可以在電學儀器中被放大和處理，以便在刻度盤上或記錄儀上直接表示出液體4密度的數值。
管23的上端是密封的，并經導管24與波紋盒25的內部連通，盒25在液體4內，其軸垂直向下，也就是與盒1的軸平行。波紋盒25承受管子3中由運行過程中溫度起伏導致的基準液體體積的變化，溫度的起伏以相同的量疊加在靜壓(h×r1)和(h×r2)上，不作為壓力變化作用在膜片8上，從而得到了完全溫度補償的密度測量。
在沒有示出的可供選擇的裝置中，可以用一根弦，一根管子，一塊薄膜或者一個彈性元件取代上述金屬絲構成可振動元件。此外元件13的一端可以與膜片8固定，另一端與膜片12固定，在這種結構中可以省去傳動液體9和導管10。
此外也有可能是這樣的結構，裝置上只有一塊膜片或者一個波紋盒，在其上固定住元件13的一端，而在膜片或者波紋盒的一側有基準液體5，在膜片的另一側或者波紋盒的內部有被測液體4。
在另一種可供選擇的結構中，盒1的壁1a上不同的高度有兩個孔，第一個孔26靠上側，第二個孔27靠下側，每個孔上焊一個與孔同軸的管狀接頭型的小盒28，小盒28位于盒1的外面，而且每個都用帶安全鏈的夾緊螺母29從外面擰緊，在靠上側的小盒28中放入一塊園片狀中空的支架30，此支架在夾緊螺母內側用緊密配合的錐體或者球冠體壓緊，並頂向小盒28的內部法蘭。
第一個孔26的支架30的內側裝有一塊膜片，膜片外側放的是被測液體，在支架30的內部有基準液體，此液體經導管31與第二個孔27的空心支架32相連接，支架32不僅在面向被測液體4的一側有一膜片，而且在內部有一個振動弦壓力差傳感器，還包括第二塊膜片或第二個波紋盒，與第一個結構實例是一致的。因此在支架32上也有引線33連接到電學儀器23上。第二個結構實例的工作方法與第一個結構實例的工作方法是一致的。第二個實例中，上部的膜片31發揮了第一個實例中波紋盒25的作用，而下部的膜片34起到膜片12的作用。沒有畫出支架32的內部結構，實際上它與圖2示出的結構是一致的。
權利要求
1.用測量傳感器測量液體密度的方法，該傳感器放在液體中，并且決定振蕩器的頻率，其特征在于測量被液體(4)和基準液體(5)的液壓，用兩個壓力之差改變可機械振動的元件(13)的張力，用其振動頻率作為測量被測液體密度的度量。
2.實現權利要求
1的測量方法的裝置，其特征在于，被測液體(4)的壓力作用在膜片(8)或波紋盒的一側，而基準液體在膜片(8)或波紋盒的另一側，使可振動元件(13)直接地或通過傳動元件(13a)與膜片(8)或波紋盒固定在一起。
3.根據權利要求
2的測量裝置，其特征在于，兩個液體(4)的壓力經傳動液體(9)作用在膜片(8)或者波紋盒的一側，傳動液體作用在第二塊膜片(12)或第二個波紋盒的一側，在第二個膜片(12)或第二個波紋盒的另一側，有被測液體(4)或基準液體。
4.實現權利要求
1的測量方法的裝置，其特征在于，被測液體的壓力作用在第一個膜片或第一個波紋盒的一側，而基準液體作用在第二個膜片或第二個波紋盒的相反的一側，在膜片或波紋盒之間拉緊可振動元件。
5.根據權利要求
1、2或3的測量裝置，其特征在于，在一個充滿氣體(例如空氣)的管子(16)中，放進可振動元件(13)，管子的一端封死，並在此固定元件(13)的一端，元件的另一端固定在膜片(8)或波紋盒上。
6.根據權利要求
1-5中的任何一個的測量裝置，其特征在于，在可振動元件(13)的固定點中，至少有一個是用一個過載保護(13a)構成的。
7.根據權利要求
1-6中的任何一個的測量裝置，其特征在于，被測液體(4)作用在固定后的膜片(12)上，而膜片(12)是與液體流動方向平行的。
8.根據權利要求
1-7中的任何一個的測量裝置，其特征在于，基準液體(5)盛放在一個特殊的垂直的管子(3)中，管子(3)位于被測液體(4)中。
9.根據權利要求
8的測量裝置，其特征在于，裝滿基準液體(5)的垂直的管子(3)與裝滿基準液體的波紋盒(25)的內部是相通的，波紋盒位于被測液體(4)中。
10.根據權利要求
1-9中的任何一個的測量裝置，其特征在于，可振動元件(13)通有電流，而且是振蕩回路的一個組成部分。
11.根據權利要求
1-10中的任何一個的測量裝置有如下特征，可振動元件(13)切割磁場，并且由于通過它的電流的起伏而振動。
12.根據權利要求
11的測量裝置，其特征在于，磁場是由裝在元件旁邊的電磁鐵(22)或永久磁鐵產生的。
13.根據權利要求
1-12中的任何一個的測量裝置，其特征在于，可振動元件(13)是用導電材料制成的，細長，易彎曲，如弦，金屬絲，管子，薄膜或彈性元件。
14.根據權利要求
1-13中的任何一個的測量裝置，其特征在于，可振動元件(13)與測量儀器(23)電學上連在一起，該儀器是振蕩回路的第二個組成部分，該儀器示出相應的振蕩頻率，從而示出液體的密度。
15.根據權利要求
1-14中的任何一個的測量裝置，其特征在于，可振動元件(13)裝在兩個膜片之間，兩個膜片把兩種液體相互分開。
16.根據權利要求
2-15中的任何一個的測量裝置，其特征在于，被測液體(4)通過一個管子、一個盒子或者一個容器，它的壁上至少有一個孔，在孔中固定住或連接上一個膜片或者一個波紋盒。
17.根據權利要求
16的測量裝置，其特征在于，在壁上有兩個孔(26、27)，在第一個孔處固定第一塊膜片(31)，其正面是被測液體(4)，其背面是基準液體(5)，在第二個孔(27)處固定第二塊膜片(34)，其正面是被測液體(4)，其背面直接或間接地與可機械振動的元件連接起來，它也受基準液體(5)的影響。
18.根據權利要求
16或17的測量裝置，其特征在于，在管壁孔(26、27)上，盒子(28)在外部固定住，并用一個蓋或用一個擰緊螺母(29)把口封死，蓋子把裝有膜片(31、34)的零件(30、32)頂到孔的邊緣。
19.根據權利要求
18的測量裝置，其特征在于，裝有膜片(31、34)的零件(30、32)的內部用導管(31)連接，此導管位于管子、盒子或容器的外側。
專利摘要
本發明涉及用一個測量傳感器測量液體密度的方法和裝置，傳感器放在液體中，并且決定一個振蕩器的振蕩頻率。測量被測液體(4)和基準液體(5)的液壓，兩種液體的液壓差改變可機械振動的元件(13)的張力，用元件的振動頻率作為測量被測液體密度的度量。
文檔編號G01N9/26GK87103492SQ87103492
公開日1987年12月2日 申請日期1987年5月14日
發明者克勞斯·克呂格爾 申請人:瓦爾特·施羅爾計量和自動控制技術公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan