用于測量流體密度的方法
【專利說明】用于測量流體密度的方法
[0001] 本發(fā)明設及根據從共振的振蕩模式的周期時間得出的彎曲振蕩器的周期時間確 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間并且在強迫的無衰減振蕩和 具有振蕩的減小的幅度的自由振蕩之間定期轉換。用于執(zhí)行方法的布置或者根據本發(fā)明的 彎曲振蕩器除了激勵回路和頻率和幅度測量的部件W外還包括定期切換的斷路器，該斷路 器中斷用于測量的激勵回路。
[0002] 用彎曲振蕩器測量流體介質的密度基于下列事實，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，即質量或者如果體積恒定，取決于填充的接著的密度。
[0003] 測量元件包括可振動的形狀，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，其實際參與振蕩。運個參與振蕩的體積V通過靜止振蕩結節(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個夾緊位置，總是相同的 準確定義的體積V參與振蕩，則樣本的質量在此可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填充對于測量是無關緊要的。出于運個原因還可W用振蕩器測量流過 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，則根據液體的密度和粘性改變其特性。共振頻率通過適當激發(fā)并且減小振蕩分析并且 根據周期時間確定填充的流動樣本的密度。振蕩器用已知密度的流體校準并且因此可分析 測量。
[0005] 對于周期時間P和密度P -般適合
[0006] 運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施方式 中關于激發(fā)并且減退振蕩來制造。用于激發(fā)和減退產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節(jié)點。
[0007] 為了對于該測量得到較高精度的結果，振蕩器必須如此實施，使得它經歷盡可能 小的減弱或者具有高品質。
[0008] 振蕩器的高品質導致共振頻率的窄帶寬。因此不實用的是，固有頻率用無方向的 激發(fā)（例如噪聲）或單獨脈沖激發(fā)。
[0009] 激發(fā)用周期的信號，例如矩形脈沖或正弦波實現(xiàn)。運可W通過標準調節(jié)回路或通 過相移的反饋實現(xiàn)。
[0010] 在調節(jié)回路中用減退信號調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其共振頻率的強迫的振蕩并且根據確定該振蕩的周期時間確定在振 蕩器中填充的介質的密度。
[0011] 通過反饋-回線振蕩的減退部件的輸出信號在機械系統(tǒng)上相移90度，放大并且該 周期的信號用于激發(fā)振蕩器。因此彎曲振蕩器W強迫的振蕩來振蕩。
[0012] 圖I示出運種激勵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實現(xiàn)，其用在振蕩器的第二臂上的第二壓電元件4實現(xiàn)減退。相位轉動 器6和放大器7組合地形成簡單激勵放大器。放大減退部件的輸出信號并且相位轉動90° 并且饋入到用于振蕩激發(fā)的部件。用運種激勵放大器振蕩器可W在共振振蕩的狀態(tài)中變成 "高振蕩"。振蕩的周期時間或者頻率用頻率測量器5測量并且對分析單元饋送用于密度確 定。
[0013] 已知彎曲振蕩器根據運個原理用模擬和數(shù)字激勵放大器運行并且根據振蕩器的 頻率或者周期時間W已知的方式得出要檢查的流動介質的密度。
[0014] 流動介質的實際密度大大地取決于溫度。運通常將至少測量和/或全體振蕩器或 者樣本W合適的部件（例如巧爾貼元件）加溫到確定測量溫度。
[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測量結果的相對大的影響并且必須進行考慮。除了其對得出的 密度的影響W外粘性首先還通過其對振蕩器的衰減或者品質的影響表現(xiàn)。
[0016] 用于修正粘性有關的密度值的最不同的方法是已知的，其分析對于運個衰減表達 的參數(shù)并且校正密度測量。運大多基于附加激發(fā)的振蕩在所謂的高次波（化erwellen)的 范圍中通過考慮用于激發(fā)的相位關系實現(xiàn)。備選地已知例如重疊的調節(jié)回路的使用，其改 變激發(fā)信號的幅度，W便獲得不變的振蕩幅度。通過激發(fā)信號帶來的能量因此對應于系統(tǒng) 的衰減并且可W考慮用于品質確定。
[0017] 然而品質測量在此還可通過測量衰退的幅度在周期地解開激勵器的情況下實現(xiàn)， 運在理論上是用于得到品質的優(yōu)化解決方案。由此避免激發(fā)的每個不準確性（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的情況下然而它具有長測量時間的缺點，總是表示僅一 個單獨測量并且還影響強迫的振蕩的周期時間。在此優(yōu)選地在振蕩之后不執(zhí)行振蕩器的中 斷。
[0019] 在所有運些已知的布置中強迫的基本振蕩的周期時間通常用于分析來進行密度 測量。
[0020] 例如在幅度調制的情況下運種的步驟的缺點是，沒有準確測量共振頻率，運是因 為非線性扭曲（電子設備，IIR濾波器）W及ADC(模數(shù)轉換器）和/或DAC(數(shù)模轉換 器）-信號的時間延遲（時間量化）起了作用。
[0021] 附加地振蕩器的高品質和因此由此導致的小帶寬要求在1/1000... 1/2000的數(shù) 量級的固有頻率中的非常小的調制頻率。
[002引例如對于在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）的品質值，使用在1/3. .. 1/10化的范圍中的調制頻 率。因此對于周期經過得出3''' 10秒。
[0023] 調制頻率越小，品質的衰退測量持續(xù)越長，運是因為通常調制頻率的每周期一次 新測量值可用。因此根據介質每3到10秒。附加地根據要求的精度需要額外的平均。
[0024] 根據本發(fā)明現(xiàn)在提出，組合借助于強迫的振蕩的周期時間的確定（持續(xù)測量方 法，并行相位調整）的優(yōu)點和用于測量品質的衰退特性的與激發(fā)無關的測量的優(yōu)點并且振 蕩器的品質和周期時間直接用持續(xù)衰退測量檢查并且關于粘性校正分析密度。
[0025] 在此通過衰退特性的周期的測量不再存在僅單獨測量的缺點。因為密度和粘性修 正的全體確定根據衰退特性實現(xiàn)，來自激勵放大器回路的重新振蕩升高的周期-或者相位 測量的影響還不再是問題。
[0026] 在此此外可W在振蕩器的較小品質的情況下達到較高精度。
[0027] 圖2示出本發(fā)明的原理電路圖：激發(fā)或者激勵器單元13將振蕩器11置于共振 中。運可W通過標準調節(jié)回路或通過相移的反饋實現(xiàn)。（例如-90°振蕩器的共振條件）。 運允許準"無調節(jié)器"的激勵器的實現(xiàn)，運是因為-90°相位轉動表示純信號變換-相比于 調節(jié)的振動器其基于相位比較（輸出/輸入）調節(jié)到-90°點。振蕩的周期時間或者頻率 用頻率測量器15測量并且對分析單元饋送用于密度確定。
[002引根據本發(fā)明現(xiàn)在提出，強迫的共振的振蕩的周期時間和幅度僅在退禪激勵器之后 確定，即僅檢查彎曲振蕩器的衰退的振蕩。因此激發(fā)對測量自身沒有影響-并且還不需要 關于當前測量循環(huán)的信息。開關或者斷路器19為此定期中斷振蕩器激發(fā)。激勵回路對于 時期tl通過該開關19中斷并且檢查振蕩器11的衰退特性。之后開關再次封閉并且激勵 回路13強制在其衰減的自由共振中振蕩的振蕩器11再次在強迫的無衰減中振蕩。優(yōu)選地 激勵回路如此封閉直至振蕩器的強迫的共振振蕩在最大的幅度中振蕩或者達到最大幅度。
[0029] 圖3示出振蕩器的運種衰退。在退禪激勵回路之后在時間點t振蕩的幅度隨著時 間根據振蕩器的品質更快或更慢衰退。實際共振頻率或者周期時間PO在此從強迫的振蕩 (周期時間Pl)輕微偏離，運是因為在運里忽略激勵回路的非線性和時間誤差并且自由振 蕩器在其共振頻率振蕩。在此為了清楚附圖示出周期時間的大大夸張描繪的差異。
[0030] 圖4示出激勵器的周期的接通和切斷的視圖（開關在位置SO -振蕩器在共振中 高振蕩），其具有根據時間的幅度A的對應的信號。
[0031] 幅度隨著振蕩過程增加。在此幅度曲線在激發(fā)的情況下跟隨1、、、、. 類型的函 數(shù)。
[0032] 在時間點tl打開開關（開關在位置SI),在此振蕩器衰減地振蕩，幅度示出衰退特 性并且在運個時間段中關于頻率和幅度分析振蕩。在時間點t2開關再次封閉，振蕩器再次 高振蕩并且強迫的振蕩再次激發(fā)。運個過程定期重復（t3，t4,…） 運個周期的控制可例如分別通過振蕩的幅度信號實現(xiàn)，不但在起振中而且在衰退中可 W考慮確定幅度值的達到并且由此考慮周期用于切換開關19。必須地還可W直接進行激勵 放大的非嚴格的周期的接通和切斷。幅度不一定下降到〇(完全結束）而是可W已經較早 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程期間測量，并且同時消除激發(fā)的 所有實現(xiàn)有關的偏離，因為運個在衰退測量期間不被施加到振蕩器。
[0034] 此外振蕩器的頻率的測量可W用頻率比較測量執(zhí)行，其非常準確。（顫動的相 漂）。
[0035] 因為激發(fā)是測量無變化的，所W可W非常快地在衰退和激發(fā)模式之間轉換（每秒 多次）。
[0036] 在本發(fā)明的有利的實施方式的情況下可W規(guī)定，衰退過程在預定的時間間隔之后 或在達到預定的幅度值的情況下中斷并且通過推斷得出的幅度值計算品質和/或衰退窗 口的寬度或者選擇用于衰退的時間間隔保持或者選擇為不變。
[0037] 因此衰退過程不必完全實現(xiàn)，因為還可W通過用小幅度下降推斷幅度值計算品 質。因此衰退窗口可W具有恒定的與振蕩器的填充無關的寬度。品質測量的精度因此隨下 降的品質上升，因為固定衰退窗口內的幅度差別變大-并且因此關于固定噪聲的差別。
[0038] 優(yōu)選對于相應振蕩器確定接通和切斷的間隔。根據檢查的共振振蕩的品質和幅度 通過衰退激發(fā)的時間間隔的持續(xù)時間A 10: A Tl可位于比例1:1到1:3中。運還由提供 的"激發(fā)-能量"，即在壓電晶體上的電壓，通過線圈的電流，影響，因為通過較高帶來的能 量可實行較短的起振時間）。
[0039] 在此優(yōu)選規(guī)定，中斷激勵放大的斷路器或者開關19,僅安裝到激勵放大器回路的 輸出。因此激勵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