AT502950B1 - Verfahren zur bestimmung des gehalts von dispergierten gasen in flüssigen medien - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Gehalts von dispergierten Gasen in flüssigen Medien wird die durch Absorption verursachte Abschwächung der Intensität eines durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals gemessen und unter Ausnutzung eines polynominalen Zusammenhangs von dieser auf den Gasgehalt geschlossen.

Description

österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DES GEHALTS VON DISPERGIERTEN GASEN IN FLÜSSIGEN MEDIEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts von dispergierten Gasen in flüssigen Medien, wobei die durch Absorption verursachte Abschwächung der Intensität eines durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals gemessen wird.

[0002] Die Erfindung ist insbesondere mit Vorteil auf die Messung des Anteils an dispergierten Gasen in Farbdispersionen in der Papierindustrie anzuwenden. Dieser wesentliche Qualitätsparameter bereitete bisher große Schwierigkeiten im Prozess des Streichens von Papier und konnte nur durch aufwendige Verfahren, welche das Fluid komprimieren und so diskontinuierlich arbeiten, bzw. im Labor bestimmt werden. Durch die Erfindung wird es nun möglich, den Gehalt an dispergierten Gasen direkt vor dem Auftrag auf die Streichmaschine online zu bestimmen und so gemeinsam mit anderen Parametern wertvolle Aufschlüsse über die Qualität des Streichprozesses zu erhalten.

[0003] Der Einfluss von Gasblasen auf die akustischen Eigenschaften von Fluiden ist bekannt, jedoch wurde dieser Effekt bisher meist als Störgröße angesehen, welcher nach Möglichkeit zu kompensieren versucht wurde. In der Literatur werden jedoch einige Verfahren beschrieben, bei denen die oben genannte Wirkung von Gasen auf Schallwellen in flüssigen Medien zur Ermittlung verschiedener Parameter herangezogen wird. Ein gattungsgemäßes Verfahren offenbart zum Beispiel die US 4,083,225.

[0004] Die DE 43 15 794 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Gegenständen mit Ultraschallwellen, bei denen bei einer vorgegebenen Abtastrate für die von einem Ultraschallempfänger erzeugten Signale das Amplitudenmaximum mit größerer Auflösung bestimmt werden kann.

[0005] Die GB 1 447 481 beschreibt eine Methode zur Bestimmung des Verhältnisses von Einschlüssen in flüssigen Medien. Basierend auf mehreren Vergleichsmessungen kann der Einfluss von Gasblasen auf die Messung kompensiert werden. Daraus ergibt sich, dass das beschriebene Verfahren ausschließlich auf feste Einschlüsse, i.e. Partikel, gerichtet ist.

[0006] Gemäß US 4,491,008 wird das Volumenverhältnis einer Flüssigkeit-Gas-Mischung in einer geschlossenen Umgebung anhand der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenz ermittelt.

[0007] In der EP 0 453 211 B wird ein Medikamenten-Infusionssystem beschrieben, welches verhindert, dass gefährlich große Mengen an Luft mit der Infusion verabreicht werden. Dieses System bedient sich eines mit Ultraschall arbeitenden In-Line-Detektors, der aufgrund der Abschwächung eines durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals die Anwesenheit und Anzahl von Luftblasen in der Infusionsflüssigkeit erfasst. Ein ähnliches Verfahren wird auch in der EP 1 182 452 beschrieben.

[0008] In der vorliegenden Erfindung wird die Dämpfung von Ultraschallwellen dezidiert ausgenutzt, um eine Aussage über den Anteil von Gasblasen in flüssigen Medien treffen und damit beispielsweise einen Fertigungsprozess kontrollieren zu können.

[0009] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem der Anteil von dispergierten Gasen in flüssigen Medien in ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, um insbesondere als Qualitätsparameter dienen zu können.

[0010] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die durch Absorption verursachte Abschwächung der Intensität des durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals gemessen und unter Ausnutzung eines polynominellen Zusammenhangs von dieser auf den Gasgehalt geschlossen wird.

[0011] Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass Ultraschallsignale in jedem Medium, das 1/7 österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15 sie durchlaufen, eine Dämpfung erfahren, welche durch Absorption von Energie durch die Moleküle verursacht wird, wobei die Stärke der Absorption vom Medium und dessen Struktur abhängig ist.

[0012] Die Erfindung macht sich die überaus hohe Dämpfung von Gasblasen zu Nutze, um auch sehr kleine Gasblasenanteile in Fluiden bestimmen zu können. Die hierfür zugrunde liegende Erklärung liegt in der Kompressibilität von Gasblasen, was eine starke Absorption des Ultraschallimpulses zur Folge hat.

[0013] Erfindungsgemäß wird nunmehr der von den Erfindern festgestellte polynomineller Zusammenhang zwischen Ultraschallintensität und Gasgehalt zur Ermittlung des letzteren aus Messungen der Intensität eines durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals bereit gestellt.

[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bestimmung des Gasgehalts dadurch, dass für das flüssige Medium eine Kennlinie, welche die Absorption als Funktion des Gasgehalts darstellt, aufgestellt wird, für welche Kennlinie der Gasgehalt durch eine Referenzdichtemessung am flüssigen Medium ermittelt wird, und über die gemessene Absorption anhand der Kennlinie der Gasgehalt des flüssigen Mediums bestimmt wird.

[0015] Vorzugsweise ist das flüssige Medium eine Dispersion oder Emulsion, insbesondere eine Farbdispersion.

[0016] Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Frequenz des Ultraschallsignals im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz.

[0017] Ferner ist es bevorzugt, wenn neben der Ultraschallmessung weiters eine Bestimmung des Feststoffgehalts oder der Lösungskonzentration des flüssigen Mediums durch ein an sich bekanntes Verfahren, wie eine Messung der Dichte oder des Brechungsindex, durchgeführt wird.

[0018] Für eine Prozesskontrolle, beispielsweise in einem Fertigungsprozess, ist es von Vorteil, wenn die Ultraschallmessung bei strömendem Medium durchgeführt wird. Sie kann jedoch ebenso bei ruhendem Medium erfolgen.

[0019] Die Ultraschallmessung kann erfindungsgemäß nicht nur bei Normaldruck sondern auch bei Drücken im Bereich von 1 bis 20 bar sowie bei 0,01 bis 1 bar durchgeführt werden.

[0020] Bei einer gegenüberliegenden Anordnung von einem Ultraschallsignal-Sender und einem Ultraschallsignal-Empfänger ergibt sich der empfangene Ultraschalldruck aus dem Zusammenhang P = P0 * e'ad, wobei P0 der gesendete Schalldruck, P der ankommende Schalldruck, α der Absorptionskoeffizient und d der Abstand zwischen Sender und Empfänger ist. Der Absorptionskoeffizient setzt sich aus Verlusten durch Absorption des Mediums und Verlusten, welche aus der geometrischen Anordnung entstehen, zusammen. Geometrische Verluste ergeben sich unter anderem durch Reflexionen an den Messwandlern, an den Grenzflächen und durch nicht parallel angeordnete Messwandler.

[0021] Im Fall von Fluiden, welche einen bestimmten Anteil von Feststoffpartikeln beinhalten, muss zusätzlich noch die Dämpfung durch Reflexionen an diesen Partikeln berücksichtigt werden. Unter Berücksichtigung all dieser Einflüsse ergibt sich α = αΑ + aG + as als Gesamtabsorptionskoeffizient, wobei aA die Absorption durch das Medium, aG die Dämpfung durch die geometrischen Einflüsse der Anordnung und as die Dämpfung durch Reflexionen an den im Fluid vorhandenen Feststoffpartikeln bedeutet.

[0022] Die Dämpfung durch Reflexion an den Feststoffpartikeln ist abhängig von der Korngröße der Feststoffpartikel sowie der Wellenlänge des Ultraschallsignals, welche sich aus dem Quotienten aus Schallgeschwindigkeit und Frequenz ergibt.

[0023] Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung muss gewährleistet sein, dass die Korngrößen der Feststoffpartikel nicht den Durchmesser der Gasblasen erreichen, um die gemessene Dämpfung durch erstere nicht zu verfälschen. Weiters sollten die Feststoffpartikel homogen 2/7 österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15 in der Flüssigkeit verteilt sein, da eine gewisse Dämpfung durch Feststoffpartikel immer vorhanden ist und es somit zu keiner Messwertverfälschung durch Inhomogenitäten kommt.

[0024] Die Messung der Ultraschallabsorption durch das flüssige Medium inklusive Gasblasen erfolgt in einer Messzelle, welche auch direkt in einem Prozess angeordnet werden kann und somit online eine Aussage über den Gasanteil in der Flüssigkeit ermöglicht. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass die Messung kontaktlos durchführbar ist und die Messwandler somit nicht einer Alterung durch Abrasion unterliegen.

[0025] Eine erfindungsgemäß ersetzbare Messvorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die dabei verwendete Messanordnung besteht aus einer Messzelle 1, durch welche das zu bestimmende flüssige Medium 2 fließt, weiters aus einem Ultraschallsignal-Sender 3 und einem Ultraschall-signal-Empfanger 4, welche einander gegenüber und im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Um die Reflexionen an den Grenzflächen zwischen Ultraschallsignal-Sender 3, Ultraschallsignal-Empfänger 4 und Messzelle 1 so gering wie möglich zu halten, kann eine Kontaktflüssigkeit 5 in die Zwischenräume eingebracht werden. Außerdem beinhaltet die Messvorrichtung ein Ultraschallmessgerät 6, welches sowohl ein elektrisches Signal an den Ultraschallsignal-Sender 3 sendet, um den Ultraschalldruckimpuls zu erzeugen, als auch das vom Ultraschallsignal-Empfänger 4 in ein elektrisches Signal umgewandelte Signal aufzeichnet. Das Ultraschallmessgerät 6 kann zudem über die Möglichkeit verfügen, den Faktor der Abschwächung des gesendeten Ultraschallsignals und des empfangenen Ultraschallsignals zu bestimmen. Das Ergebnis dieses Vorganges wird an ein Datenerfassungs- und Datenverarbeitungsinstrument 7 weitergeleitet.

[0026] Zur Ermittlung einer Kennlinie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden Parameter des zu untersuchenden flüssigen Mediums genutzt, um gemeinsam mit Referenzmessungen die Ultraschallabsorption des Mediums in der Messanordnung in Abwesenheit von dispergierten Gasen zu bestimmen. Als aussagekräftige Parameter können Dichte, Lösungskonzentration, Feststoffgehalt oder andere Parameter, welche die Absorption des Ultraschalldruckimpulses beeinflussen, eingesetzt werden. Basierend auf den Kenndaten und den Daten dieser Parameter kann somit eine Arbeitspunkteinstellung der Ultraschallintensität vorgenommen werden.

[0027] Die Bestimmung des Gehalts an dispergierten Gasen aus der Ultraschallabsorption erfolgt beispielsweise durch das Datenverarbeitungstool, basierend auf Kennlinien der Ultraschallabsorption als Funktion des Anteils an dispergierten Gasen. Eine solche Kennlinie ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, wobei die Absorption als Quotient der Ultraschallintensität in Anwesenheit von dispergierten Gasen und der Ultraschallintensität in Abwesenheit von dispergierten Gasen dargestellt ist.

BEISPIEL

[0028] In den durchgeführten Messungen wurde die Ultraschallintensität eines durch die Probe eines flüssigen Mediums gedämpften Sendesignals gemessen. Die Ultraschallsignale wurden dabei pulsförmig in 4 ms-lntervallen bei einer Frequenz von 1 MHz vom Sender emittiert und von einem Empfänger wieder aufgenommen. Die Sendeleistung wurde konstant gehalten. Die ausgesendete Intensität wurde durch die Dichte der Probe und durch darin enthaltene Luftblasen gedämpft und vom Empfänger detektiert. Als flüssiges Medium wurde eine Streichfarbe verwendet.

[0029] Für die Messungen wurde ein Ultraschallmesssystem EPOCH4 eingesetzt. Dieses System war in einen automatisierten Quality-Loop integriert und lieferte kontinuierlich Messdaten. Im Quality-Loop wurden ferner die Parameter Dichte, Druck, Durchflussgeschwindigkeit, Viskosität, pH, Redox-Potential und Feststoffgehalt bestimmt. Durch die Automatisierung wurde außerdem der Durchfluss durch die Messzelle geregelt. BESTIMMUNG DES LUFTGEHALTS FÜR DIE KALIBRATION: [0030] Die Definition der Kennlinie des Luftgehalts in Abhängigkeit von der Ultraschallintensität 3/7 österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15 wurde durch die parallele Bestimmung des Luftgehalts aus einer Referenzdichtemessung durchgeführt (Gleichung 1). L [vol%\ - 1 - [(Sgesamt- Sluft) / (Sfärbe - Sluft)] * 100 GL 1 [0031] Hierin bedeutet L den Luftgehalt in %, 5Farbe die Dichte der Farbe, 5Luft die Dichte der Luft und Ögesamt die Dichte inklusive Luft, wobei 5FArbe durch die Rezeptur bekannt ist. BERECHNUNG DER ULTRASCHALLINTENSITÄT: [0032] Aus den Messwerten, welche das Ultraschallmesssystem EPOCH4 liefert, kann mit folgender Berechnung die Ultraschallintensität bestimmt werden: USba = 10('^a'B/20) * USAmpi /100 Gl. 2 [0033] USint............Ultraschallintensität [0034] USgain..........eingestellte Verstärkung am EPOCH4 [dB] [0035] USAmpi.........gemessene Ultraschallamplitude am EP0CH4 [%] BERECHNUNG DES LUFTGEHALTS: [0036] Der Luftgehalt wird mittels des gemessenen Parameters (Ultraschallintensität) und den Kalibrationswerten (Ultraschallintensität bei 0% Luft, Dichte) bestimmt. Aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der Streichfarben wird ein Normierungsfaktor verwendet, welcher über die Dichte der Streichfarbe bestimmt wird, da diese einen wesentlichen Einfluss auf die Ultraschalldämpfung durch die Streichfarbe darstellt.

Fnorm ~ (δmx / <5ist) Gl. 3 [0037] Fnorm..........Normierungsfaktor für die Ultraschallintensität [0038] 5max.............Dichte der Luftgehalt über Ultraschallintensität-Kennlinie [0039] 5ist..............real gemessene Dichte [0040] A.................Faktor (unbestimmt) [0041] Die gemessene Ultraschallintensität (Gl. 2) muss dann mit dem Normierungsfaktor FNOrm multipliziert werden, wonach der Luftgehalt mittels Gl. 4 bestimmt werden kann, die eine Polynomfunktion 3. Ordnung ist.

Lus [vol%] = 5 + C*USINT + DoUSim* + E*USIN1> Gl. 4 [0042] B, C, D, E.... Koeffizienten der Polynomfunktion (siehe weiter unten) [0043] Lus..............Luftgehalt [%] basierend auf Ultraschallintensitätsmessung [0044] USint...........Ultraschallintensität [0045] In der folgenden Tabelle 1 sind einige Messdatensätze dargestellt. 4/7

Claims (10)

1. österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15 TABELLE 1 Ögesamt Öfarbe USAmol USQain USmt L Lus [g/cm31 [g/cm3l [%l fdBl [au.] [vol%l [vol%l 1,5321 1,614 29 30 0,00917 5,0775 4,68881 1,5493 1,615 52 30 0,01644 4,07063 4,17773 1,5421 1,611 49 30 0,0155 4,2795 4,2419 1,5421 1,612 45 30 0,01423 4,33892 4,32736 [0046] Die Ausgangsdaten des Ultraschallmesssystems machen eine Umrechnung der Werte in eine dimensionslose Größe mittel Gl. 2 notwendig (Spalte USint). Für die Kalibration erfolgt die Berechnung des Luftgehalts mittels Gl. 1 und es ergeben sich die Werte in der Spalte L. [0047] Basierend auf diesen und weiteren Daten wird eine Kalibrationskennlinie angepasst, welche für die Parameter B, C, D und E folgende Werte liefert: [0048] B= +5,6039 [0049] C= -129,66805 [0050] D= +4074,64789 [0051] E= -88995,47521 [0052] Diese Parameter und die Messdaten für die Ultraschallintensität werden in Gl. 4 verwendet, um schließlich den Luftgehalt basierend auf der Ultraschallmessung zu bestimmen. [0053] Da im vorliegenden Fall die Kalibration mit identischer Streichfarbe durchgeführt wurde, entfällt die Normierung der Ultraschallintensität und die Anwendung von Gl. 3 ist nicht erforderlich. Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung des Gehalts von dispergierten Gasen in flüssigen Medien, wobei die durch Absorption verursachte Abschwächung der Intensität eines durch das flüssige Medium geleiteten Ultraschallsignals gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausnutzung eines polynominellen Zusammenhangs von dieser auf den Gasgehalt geschlossen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das flüssige Medium eine Kennlinie, welche die Absorption als Funktion des Gasgehalts darstellt, aufgestellt wird, für welche Kennlinie der Gasgehalt durch eine Referenzdichtemessung am flüssigen Medium ermittelt wird, und über die gemessene Absorption anhand der Kennlinie der Gasgehalt des flüssigen Mediums bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium eine Dispersion oder Emulsion ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium eine Farbdispersion ist.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Ultraschallsignals im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz liegt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Ultraschallmessung weiters eine Bestimmung des Feststoffgehalts oder der Lösungskonzentration des flüssigen Mediums durch ein an sich bekanntes Verfahren, wie eine Messung der Dichte oder des Brechungsindex, durchgeführt wird. 5/7 österreichisches Patentamt AT 502 950 B1 2010-10-15
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallmessung bei strömendem Medium durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallmessung bei ruhendem Medium durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallmessung bei einem Druck im Bereich von 1 bis 20 bar durchgeführt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallmessung bei einem Druck im Bereich von 0,01 bis 1 bar durchgeführt wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 6/7