专利名称:测量液体密度的方法与装置的制作方法
本发明涉及用测量传感器测量液体密度的方法和装置，此测量传感器放置在液体中，且决定振荡器的频率。
人们知道，液体的静压作用在一块膜片上时，在液压作用相反的方向，膜片受到其内部弹簧的作用力来抵消液体的压力。液体的密度不同，膜片受到的液压也不同，因此可以用膜片移动的多少来度量液体的密度。这种熟知的测量装置必须平衡相当大的弹力，因此，这种方法是不精确的。而且这样的测量结果随温度变化，这种原因导致了不可能达到高的测量精度。本发明要解决的问题是，改造测量液体密度的方法和装置，使极小的密度差都能精确测量，而且测量结果不受外界影响，特别是不受温度变化的影响。
按照本发明，这个问题是如下解决的，测量被测液体和基准液体的液压，用其压力差改变一个可以产生机械振动的元件的张力，从而利用这个元件的振动频率来测定被测液体的密度。
由此设计一静压天平，用此天平可对被测液体与基准液体始终进行比较而不需要机械的手段来补偿被测液体的压力。从而获得了高的测量精度，且不受外界的影响，特别是不受过程压力起伏和温度变化的影响。测量可以直接在主流中进行，测量装置始终被主流环流，因此在清洗整个设备时，测量装置也同时被清洗。
特别有利的是，用这种方法和装置，不仅可以测量液体的密度，而且还可以通过测量密度推算出所有与密度有关的物理量。如液体中的酸含量，麦芽计含量，糖含量，油脂含量，或者碳酸含量。
特别有利的是，当被测液体的压力在膜片或波纹盒的一侧，而基准液体在膜片或波纹盒的另一侧时，直接地或用传动部件在膜片或波纹盒上固定住可振动元件，因此它的结构特别简单而又牢固。此处，可以借助一传动液体，把被测和基准液体的压力加在膜片或波纹盒的一侧，传动液体位于第二块膜片或第二波纹盒的一侧，其另一侧是被测液体或基准液体。
可供选择的另一种建议是被测液体的压力加在第一块膜片或第一个波纹盒的一侧，而基准液体放在第二块膜片或第二个波纹盒的与此相对的一侧，在膜片或波纹盒中间的振动元件是拉紧的。这种结构不会使作用在测量装置上的温差，及由温差引起的材料膨胀作为误差引入测量结果。
对于振动元件的维修及更换，下面谈到的这种制作很简单及容易实现，把可振动元件封入一个允满气体例如空气的管子内，管子一端封死，并固定住可振动元件的一端，而元件的另一端则固定在膜片或波纹盒上。
为防止可振动元件在拉力方向超负荷，要在可振动元件的固定点的至少一个上有过载保护。
膜片与被测液体接触且与被测液体流动方向平行是很有利的，这样，就可避免被测液体在膜片上自己形成滞速压力，这个滞速压力会引入测量结果误差。
为使基准液体始终与被测液体保持相同的温度，建议把基准液体灌入另外一个在被测液体中向下垂直的管子内。此处，灌满基准液体的向下垂直的管子也可以与一个充满基准液体的波纹盒连通，而波纹盒是位于被测液体内部的。在此应该确保基准液体不与被测液体混合，但始终保持被测液体的温度。
下述方法可使压力差测量简单而精确。可振动元件中通以电流，此元件构成振荡回路的一部分，此时可振动元件切割磁场，并且根据回路电流的起伏而振动。为此，特别建议，装在元件侧面的电磁铁，最好用永磁铁产生磁场。
可振动元件是一段长的易弯曲的导电材料特别有利。例如，一根弦，一根导线，一根管子，一块薄膜或者一个弹性元件，此时可振动元件可以与一个测量仪器用导线连接起来，该仪器组成振荡回路的另一部分，同时此仪器显示出相应的振荡频率及液体密度。
当可振动元件装在隔离开两种液体的两个膜片间时，就获得了一种简单而又非常精确的测量装置。
一种特别简单的结构，在外面安装，容易维护，也易修理，用下面的方法加以实现。被测液体通过一根管子，一个盒子或者一个容器，其侧面壁上最少开一孔，在孔上固定一块膜片或者联接一个波纹盒。如果有两个孔会更好，在第一孔处固定第一块膜片，其正面是被测液体，背面是基准液体。在第二孔处固定第二块膜片，其正面是被测液体，其背面与可振动的机械元件直接或间接联接在一起。此外，这个振动元件还受到基准液体的影响。下面的方法也是很好的，在一孔的外侧装上小盒子，盒子用盖封住，尤其用夹紧螺母封住最好，它把装有膜片的零件顶到孔的边缘处。
此外进一步建议，用一根导管把装有膜片的零件的内部连接起来，而导管延伸在管子、盒子或者容器的外面。
图1 示出此装置的垂直剖面;
图2 示出图1中下半部的剖面;
图3 示出一种选择装置左侧部分的垂直剖面。
一个垂直的管装盒子1，放在一个图中没有画出的导管当中，导管里充满了被测液体。在图中的结构示例中，被测液体由下向上流动。具有较大横截面的盒子1作为液体通路，因为盒子1中放了测量装置2，它使盒子1的通流有效断面变小，盒子1有较大的横截面是为了保证盒子1的通流有效断面不小于导管的通流有效断面。
盒子1中与轴平行在边缘处固定着管子3，在它周围流过被测液体4，而其直径比盒子1小很多倍。管子3中有基准液体5，它是一种与被测液体很相似的液体，例如被测液体是汽水，基准液体就可能是水。
管子3的下端与腔体6连接，如局部剖面图所示，垂直的侧壁7上有垂直膜片8。在膜片的一侧是基准液体5，膜片的另一侧是传动液体9，例如用流动性好的油，膜片8背面的空间经管道10与空间11相联接，在管道中充满了传动液体9。空间11是在与膜片8相对的一侧由与8平行的第二块膜片12围成的，液体4在膜片12的外侧，而且膜片12平行于液体4的流动方向。液体4作用在膜片12上的静压差，经管道10中的液体9传送到膜片8的内侧。
由于膜片8的内侧受到被测液体4的静压，外侧受到基准液体5的静压，因而膜片8根据两种液体4与5的静压差而运动。这里有一点是很重要的，即基准液体的静压保持不变，因为基准液体5的液柱h始终是保持不变的，同样比重r1也是不变的，基准液体的高度h同时也意味着是被测液体的测量高度。相反，由于被测液体4的密度不同，它的比重r2也不同，于是在膜片8上的压力差△P等于(h×r2)-(h×r1)，在此公式中，只有数值r2改变，因此在膜片8上测出的压力差，直接标志着被测液体的比重，从而求出它的密度，即△P对应于r2。在静压(h×r1)和(h×r2)上叠加的高出好几倍的过程压力，以相同的大小作用于膜片8的两侧，因而相互抵消。
在膜片8上出现的运动被传递给测量装置11，此测量装置有一个可振动元件13，例如，一根振动的金属丝，它两端是拉紧的。金属丝13的一端13a固定在膜片8的中心，这个固定位置是由过载保护装置13a构成的，为此13a有一弹性元件14。
元件13的另一端固定在与膜片8相对的一侧的圆柱体15上。此圆柱体封住水平位置的金属管16的一端，这个金属管的轴心位置安置元件13。金属管16面向膜片8的另一端，牢牢固定在测量系统11的下半部的盒子17上。金属管16中充满气体，例如空气，元件13可在管中振动。元件13是可导电的，并构成振荡回路的一部分，引线18与园柱体15连接，另一条引线19与盒子17连接，因为金属管16和园柱体15用绝缘密封套或密封环20与盒子17绝缘，所以经引线19的电流只能经过盒子17再经过装置13及膜片8到达元件13。金属管16横跨盒子17中的一个内室21，在内室中固定一块永久磁铁22，金属管被围在磁铁中间。
金属丝状的元件13是一个振荡回路的组成部分，元件13的振动频率是由它的张力决定的，而张力来自拉力，拉力是由膜片8产生的。引线18和19通到外面，与一个电学仪器23连接，里面有振荡回路的另一组成部分。振荡回路又是电学仪器中的振荡器的一部分。振荡器的频率由元件13的张力决定，元件13的机械振动与磁铁22相互作用经电磁感应转变成交流信号，因此振荡器显示出电学仪器中或等效的电学仪器中振荡回路的振荡频率，此频率是随被测液体的密度而改变的。这个振荡信号可以在电学仪器中被放大和处理，以便在刻度盘上或记录仪上直接表示出液体4密度的数值。
管23的上端是密封的，并经导管24与波纹盒25的内部连通，盒25在液体4内，其轴垂直向下，也就是与盒1的轴平行。波纹盒25承受管子3中由运行过程中温度起伏导致的基准液体体积的变化，温度的起伏以相同的量叠加在静压(h×r1)和(h×r2)上，不作为压力变化作用在膜片8上，从而得到了完全温度补偿的密度测量。
在没有示出的可供选择的装置中，可以用一根弦，一根管子，一块薄膜或者一个弹性元件取代上述金属丝构成可振动元件。此外元件13的一端可以与膜片8固定，另一端与膜片12固定，在这种结构中可以省去传动液体9和导管10。
此外也有可能是这样的结构，装置上只有一块膜片或者一个波纹盒，在其上固定住元件13的一端，而在膜片或者波纹盒的一侧有基准液体5，在膜片的另一侧或者波纹盒的内部有被测液体4。
在另一种可供选择的结构中，盒1的壁1a上不同的高度有两个孔，第一个孔26靠上侧，第二个孔27靠下侧，每个孔上焊一个与孔同轴的管状接头型的小盒28，小盒28位于盒1的外面，而且每个都用带安全链的夹紧螺母29从外面拧紧，在靠上侧的小盒28中放入一块园片状中空的支架30，此支架在夹紧螺母内侧用紧密配合的锥体或者球冠体压紧，並顶向小盒28的内部法兰。
第一个孔26的支架30的内侧装有一块膜片，膜片外侧放的是被测液体，在支架30的内部有基准液体，此液体经导管31与第二个孔27的空心支架32相连接，支架32不仅在面向被测液体4的一侧有一膜片，而且在内部有一个振动弦压力差传感器，还包括第二块膜片或第二个波纹盒，与第一个结构实例是一致的。因此在支架32上也有引线33连接到电学仪器23上。第二个结构实例的工作方法与第一个结构实例的工作方法是一致的。第二个实例中，上部的膜片31发挥了第一个实例中波纹盒25的作用，而下部的膜片34起到膜片12的作用。没有画出支架32的内部结构，实际上它与图2示出的结构是一致的。
权利要求
1.用测量传感器测量液体密度的方法，该传感器放在液体中，并且决定振荡器的频率，其特征在于测量被液体(4)和基准液体(5)的液压，用两个压力之差改变可机械振动的元件(13)的张力，用其振动频率作为测量被测液体密度的度量。
2.实现权利要求
1的测量方法的装置，其特征在于，被测液体(4)的压力作用在膜片(8)或波纹盒的一侧，而基准液体在膜片(8)或波纹盒的另一侧，使可振动元件(13)直接地或通过传动元件(13a)与膜片(8)或波纹盒固定在一起。
3.根据权利要求
2的测量装置，其特征在于，两个液体(4)的压力经传动液体(9)作用在膜片(8)或者波纹盒的一侧，传动液体作用在第二块膜片(12)或第二个波纹盒的一侧，在第二个膜片(12)或第二个波纹盒的另一侧，有被测液体(4)或基准液体。
4.实现权利要求
1的测量方法的装置，其特征在于，被测液体的压力作用在第一个膜片或第一个波纹盒的一侧，而基准液体作用在第二个膜片或第二个波纹盒的相反的一侧，在膜片或波纹盒之间拉紧可振动元件。
5.根据权利要求
1、2或3的测量装置，其特征在于，在一个充满气体(例如空气)的管子(16)中，放进可振动元件(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)或波纹盒上。
6.根据权利要求
1-5中的任何一个的测量装置，其特征在于，在可振动元件(13)的固定点中，至少有一个是用一个过载保护(13a)构成的。
7.根据权利要求
1-6中的任何一个的测量装置，其特征在于，被测液体(4)作用在固定后的膜片(12)上，而膜片(12)是与液体流动方向平行的。
8.根据权利要求
1-7中的任何一个的测量装置，其特征在于，基准液体(5)盛放在一个特殊的垂直的管子(3)中，管子(3)位于被测液体(4)中。
9.根据权利要求
8的测量装置，其特征在于，装满基准液体(5)的垂直的管子(3)与装满基准液体的波纹盒(25)的内部是相通的，波纹盒位于被测液体(4)中。
10.根据权利要求
1-9中的任何一个的测量装置，其特征在于，可振动元件(13)通有电流，而且是振荡回路的一个组成部分。
11.根据权利要求
1-10中的任何一个的测量装置有如下特征，可振动元件(13)切割磁场，并且由于通过它的电流的起伏而振动。
12.根据权利要求
11的测量装置，其特征在于，磁场是由装在元件旁边的电磁铁(22)或永久磁铁产生的。
13.根据权利要求
1-12中的任何一个的测量装置，其特征在于，可振动元件(13)是用导电材料制成的，细长，易弯曲，如弦，金属丝，管子，薄膜或弹性元件。
14.根据权利要求
1-13中的任何一个的测量装置，其特征在于，可振动元件(13)与测量仪器(23)电学上连在一起，该仪器是振荡回路的第二个组成部分，该仪器示出相应的振荡频率，从而示出液体的密度。
15.根据权利要求
1-14中的任何一个的测量装置，其特征在于，可振动元件(13)装在两个膜片之间，两个膜片把两种液体相互分开。
16.根据权利要求
2-15中的任何一个的测量装置，其特征在于，被测液体(4)通过一个管子、一个盒子或者一个容器，它的壁上至少有一个孔，在孔中固定住或连接上一个膜片或者一个波纹盒。
17.根据权利要求
16的测量装置，其特征在于，在壁上有两个孔(26、27)，在第一个孔处固定第一块膜片(31)，其正面是被测液体(4)，其背面是基准液体(5)，在第二个孔(27)处固定第二块膜片(34)，其正面是被测液体(4)，其背面直接或间接地与可机械振动的元件连接起来，它也受基准液体(5)的影响。
18.根据权利要求
16或17的测量装置，其特征在于，在管壁孔(26、27)上，盒子(28)在外部固定住，并用一个盖或用一个拧紧螺母(29)把口封死，盖子把装有膜片(31、34)的零件(30、32)顶到孔的边缘。
19.根据权利要求
18的测量装置，其特征在于，装有膜片(31、34)的零件(30、32)的内部用导管(31)连接，此导管位于管子、盒子或容器的外侧。
专利摘要
本发明涉及用一个测量传感器测量液体密度的方法和装置，传感器放在液体中，并且决定一个振荡器的振荡频率。测量被测液体(4)和基准液体(5)的液压，两种液体的液压差改变可机械振动的元件(13)的张力，用元件的振动频率作为测量被测液体密度的度量。
文档编号G01N9/26GK87103492SQ87103492
公开日1987年12月2日 申请日期1987年5月14日
发明者克劳斯·克吕格尔 申请人:瓦尔特·施罗尔计量和自动控制技术公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan