DE10022022C2 - Detektion von Fremdkörpern in Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Fremd­ körpern, z. B. festen Partikeln und Gasblasen in Flüssigkeiten.

Es ist wünschenswert zu wissen, ob in Flüssigkeiten, die für einen bestimmten Ein­ satz vorgesehen sind, beispielsweise als Infusionslösungen für Blutbahnen oder Be­ schichtungslösungen für fotografische Materialien, Fremdkörper vorhanden sind, um solche fehlerhaften Flüssigkeiten vom vorgesehenen Einsatzzweck auszuschließen.

Insbesondere im Falle von Beschichtungslösungen für fotografische Materialien ist es erforderlich, darin befindliche Gasblasen zu detektieren, um einerseits dadurch geschädigte Teile des Materials aussondern zu können und andererseits die Ursache der Blasenbildung einfacher aufspüren und ausschalten zu können.

Es hat schon eine Reihe von Vorschlägen gegeben, wie in solchen Flüssigkeiten Bla­ sen detektiert werden können.

So wird nach der Lehre der EP 778 465 A1 der Effekt ausgenutzt, dass durch die Anwe­ senheit von Glasblasen die akustische Impedanz der Flüssigkeit bei Einstrahlen einer Ultraschallwelle verändert.

Die Sende-Empfangsrichtung ist in Resonanz auf die Impedanz des Mediums abge­ stimmt und wird durch Gas, aber auch durch Änderungen der Impedanz der Flüssig­ keit aus anderen Gründen (Änderung der Mischung) verstimmt. Diese Verstimmung ist die Messgröße. Sie lässt keine sicheren Rückschlüsse auf die Anwesenheit von Gasblasen zu. Insbesondere gestattet sie nicht die Detektion weniger bis einzelner Gasblasen, was für fotografische Beschichtungslösungen unbedingt erforderlich ist.

In der Lehre der EP 506 941 werden die Laufzeitunterschiede unterschiedlicher Ultraschallpulse gemessen, die am gleichen Fremdkörper in der Flüssigkeit reflektiert werden. Auch dieses Verfahren eignet sich nicht zur Detektion weniger oder einzelner Gasblasen.

Nach DE 27 40 958 A1 wird zur Blasendetektion ein gebündelter Ultraschallstrahl ver­ wendet. Dabei soll die Frequenz des Schalls über der Resonanzfrequenz der Blase liegen. Beide Bedingungen führen dazu, dass ein Großteil vorhandener Blasen nicht erfasst wird, was dieses Verfahren zur Detektion weniger oder einzelner Blasen unbrauchbar macht.

Das Verfahren der SU 989 389 arbeitet mit Ultraschallpulsen und misst die Anzahl der gleichzeitig im Messvolumen befindlichen Signale über die Anzahl der Doppler­ pulse. Eine einzelne Blase ist so nur schwer und zufällig zu detektieren.

Ebenso ist das Verfahren nach DE 196 53 001 A1 ungeeignet, wenige bis einzelne Blasen zu detektieren, weil es lediglich die Dämpfung von Dopplersignalen der der Ultraschallquelle gegenüberliegender Wand zur Messung von Feststoffkonzentra­ tionen in der Flüssigkeit verwendet.

Nach US 5 103 827 wird der Dopplereffekt als Messgröße genutzt, der entsteht, wenn der Ultraschall auf eine Gasblase in der transportierten Flüssigkeit stößt. Da es sich dabei um Messungen an einer Blutbahn handelt, ist das Messvolumen nicht definiert. Um ein Blasenereignis zu konstantieren ist es erforderlich Fouriertransformationen auf die Dopplersignale anzuwenden und nur dann ein Blasenereignis als solches zu werten, wenn die positive Dopplerfrequenz sich von der negativen Dopplerfrequenz massiv unterscheidet. Auf diese Weise können die meisten störenden Blasen in einer fotografischen Beschichtungslösung nicht erfasst werden.

Aus DE 40 08 037 A1 bzw. Elektronik 25/1991, S. 30 ist bekannt, zur Detektierung von Bläschen einen Ultraschallsender mit Fokussierung und einen Ultraschallempfänger mit Fokussierung zu verwenden. Ein Gerät mit diesen Merkmalen erfaßt nur etwa 15% des Rohrquerschnitts des Rohres, durch das die zu detektierende Flüssigkeit fließt. Auch lassen sich nach diesen Dokumenten Gasbläschen nicht von Artefakten, z. B. einem durch einen Druckstoß oder eine Erschütterung erzeugten Signal, unterscheiden.

Ultrasonics 1986, Vo. 24, November, S. 333-336 zeigt die Prüfung mittels unterschiedlicher Ultraschallfrequenzen.

Aufgabe der Erfindung war die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfah­ rens zur Bestimmung von Fremdkörpern in Flüssigkeiten mittels Ultraschall, das die vorgenannten Nachteile nicht besitzt.

Diese Aufgabe wird mit einem definierten Messvolumen und einer definierten Messanordnung der Dopplereffektmessung des gestreuten und reflektierenden Ultraschalls gemäß den Merkmalen des PA. 1 bzw. PA. 2 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung zur Detektion von Gasblasen in einem transportierten Strom einer Flüssigkeit mittels Ultraschall, wobei das Messvolumen ein zylindrisches Rohr ist, an das von außen ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger dicht angebracht sind, ohne dass Vorsprünge in das Messvolumen ragen und dass der Ultraschallempfänger so ausgelegt ist, dass er das von einer in der Flüssigkeit mittransportierten Gasblase aufgrund des Impedanzunterschiedes Flüssigkeit/Gasblase erzeugte Dopplersignal empfangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall ungerichtet ist und das Messvolumen möglichst vollständig erfasst und dass als Beleg für Existenz eines Gasbläschens nur ein Ereignis gewertet wird, bei dem zuerst ein negativer und danach ein positiver Frequenzanteil des Dopplersignals geliefert wird.

Unter Impedanz wird hier die akustische Impedanz ρ. w verstanden, wobei ρ die Dichte und w die Schallgeschwindigkeit ist.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn Ultraschallsender und -empfänger zueinander einen Winkel von etwa 90° einschließen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion von Gas­ blasen in einer transportierten Flüssigkeit mittels Ultraschall wobei die Flüssigkeit durch zylindrisches Rohr als Messvolumen gefördert wird, Ultraschallwellen in das Messvolumen eingespeist und von einem Sensor wieder aufgenommen werden, wobei das von einer in der Flüssigkeit mittransportierten Gasblase aufgrund des Impedanzunterschiedes Flüssigkeit/Gasblase erzeugte Dopplersignal registriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall ungerichtet ist und das Messvolumen möglichst vollständig erfasst und dass als Beleg für Existenz eines Gasbläschens nur ein Ereignis gewertet wird, bei dem zuerst ein negativer und danach ein positiver Frequenzanteil des Dopplersignals geliefert wird.

Insbesondere erfolgt die Messung nach der 2-Frequenzen-Methode.

Bei der 2-Frequenzen-Methode wird zum einen niederfrequenter Ultraschall mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der vermuteten Blase und außer­ dem ein hochfrequenter Ultraschall (sogenannte Trägerfrequenz) eingestrahlt. Die niederfrequente Strahlung wird geringfügig bis zum Auftreten der Resonanz ver­ ändert.

Mit dieser Methode können auch Blasen detektiert werden, die sich in der Nähe der Rohrwandung befinden und sich wegen der dort wesentlich geringeren Strömungsge­ schwindigkeit der Flüssigkeit kaum bewegen und infolgedessen kein detektierbares Dopplersignal erzeugen.

Bei der 2-Frequenzen-Methode geben sich solche Gasbläschen durch das Auftreten von Seitenbändern zu erkennen. Die Methode gestattet zudem, Gasbläschen von festen Partikeln zu unterscheiden und die Größe der jeweiligen Gasblase zu er­ mitteln.

Bevorzugt wird die Messfrequenz der Größe der zu detektierenden Fremdkörper und/oder dem Impedanzunterschied zwischen dem Fremdkörpermaterial, z. B. Luft, und der umgehenden Flüssigkeit angepasst, wobei gilt, dass bei kleinen Teilchen und geringem Impedanzunterschied eine hohe, bei großen Teilchen und großem Impedanzunterschied eine niedrige Frequenz angewendet werden sollte. Geeignete Frequenzen liegen im Bereich von 0,5 bis 10 MHz.

Die Messung basiert darauf, dass die Flüssigkeit den Ultraschall nicht streut und deshalb in ihr kein Dopplereffekt erzeugt wird.

Gelangt jedoch ein Fremdkörper, dessen akustische Impedanz sich von der der Flüs­ sigkeit unterscheidet, in den Messbereich, so wird der Ultraschall gestreut und reflek­ tiert. Der reflektierte Schall wird von einem Ultraschallsender aufgefangen. Die Fre­ quenz eines sich an einem bewegenden Streuer reflektierten Schalls ist um einen ge­ wissen Betrag, der Dopplerfrequenz, zu dem des ursprünglichen Schalls verschoben. Filtert man aus dem Empfangssignal des Empfangssensors schmalbandig die Sende­ frequenz aus, so folgt aus dem Auftreten eines Signalanteils hinter dem Filter die Anwesenheit eines bewegten Streuers. Alle Reflexionen von nicht bewegten Streu­ ern, von Bauteilen u. a. werden dadurch, dass die Dopplerfrequenz auf dem Grund­ signal verschwindet, nicht angezeigt. Durch die Auswertung der Amplitude der Dopplerfrequenz, die technisch durch das Mischen von Empfangs- und Sendefre­ quenz und das Herausfiltern des Basisbands gewonnen wird, kann man auf die Größe des Fremdkörpers schließen. Dazu ist jedoch eine möglichst gleichmäßige Schall­ feldverteilung innerhalb des Messvolumens erforderlich. Außerdem sollte die Art des Streuers bekannt sein, da die Differenz der Impedanz von Flüssigkeit und Fremdkör­ per wesentlichen Einfluss auf die Rückstreuamplitude hat. Analysiert man im Mischsignal zusätzlich die Phasenlage des Dopplersignals, so lässt sich neben der Ge­ schwindigkeit auch die Richtung der Fremdkörper bestimmen. Die Analyse weiterer Signalparameter erlaubt eine zusätzliche starke Fehlerunterdrückung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Messungen in einem Sensor erfolgen, der in die normale Rohrleitung nahtlos einflanschbar ist und keinerlei Änderung des Rohrquer­ schnitts und der Rohrform voraussetzt. Es gibt außerdem keine in das Innere des Rohres vorstehenden Teile. Die Messstrecke ist aus chemisch extrem inerten Stoffen wie V2A- oder V4A-Stahl oder Teflon gebaut. Sie ist uneingeschränkt molchbar und geeignet für trübe, leicht verderbliche und aggressive Stoffe.

Molchbar bedeutet, dass die Messstrecke mit einem weichen, kompressiblen Pfropfen, dessen Durchmesser geringfügig größer als der Rohrdurchmesser ist, vollständig gereinigt werden kann. Das ist im Falle fotografischer Beschichtungs­ lösungen sehr wichtig, weil Rückstände irgendwann von der Beschichtungslösung mitgenommen werden und Fehlerstellen auf dem fotografischen Material erzeugen.

Durch die Ausfilterung des Basisbandes werden nur noch die infolge Doppler­ verschiebung durch die Frequenzänderung entstehenden Seitenbänder gemessen.

Diese Seitenbandsignale können direkt weiterverarbeitet werden oder es werden durch Quadraturdetektion die um 180° phasenverschobenen Anteile der Doppler­ frequenz gemessen. Mit den einfachen Signalen werden durch Analyse der Signal­ form- und -amplitude Informationen über die Geschwindigkeit und die Größe des Teilchens errechnet, das für Dopplerverschiebung verantwortlich war.

Aus dem Frequenzverlauf der Wellenform lässt sich durch Extraktion der vor­ kommenden Maximalfrequenzen die Geschwindigkeit des Teilchens bestimmen. Die Maximalamplitude korreliert mit der Größe des Teilchens. Die Quadraturdetektion des Signals ergibt nach geeigneter Weiterverarbeitung direkt den Geschwindigkeits­ vektor der Teilchenbewegung. Da das Teilchen sich zuerst zum Wandler hin und dann wieder von ihm weg bewegt, ergibt sich so eine Möglichkeit zur Fehlerunterdrückung. Nur falls erst ein negativer und danach ein positiver Frequenzanteil geliefert wird, kann der auslösende Effekt ein vorbeibewegtes Teilchen sein. In allen anderen Fällen muss man von einem Artefakt ausgehen. Durch Summation der Amplituden der Einzelsignale wird, falls erforderlich, die Gesamtmenge der Fremd­ stoffe gemessen. Für die Messung der Größe und der Gesamtmenge der Fremdkörper ist eine Kalibrierung erforderlich, für die Anzahl der Fremdkörper jedoch nicht. Die Berechnung der Anzahl, der Geschwindigkeit und der Menge des Volumens des Fremdstoffs erfolgt dann durch die für den jeweiligen Prozess erforderliche Weiter­ verarbeitung aus den gewonnenen Messwerten.

Beispiel

Eine Lösung von 6 Gew.-% Gelatine in Wasser wird sorgfältig entgast und strömt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s durch das zylindrische Messrohr.

Durch Einperlen werden in der Flüssigkeit in zeitlichen Abständen Bläschen mit einem Durchmesser von 10 bis 200 µm erzeugt. Beim Passieren der Messstelle, in die Ultraschall mit einer Frequenz von 2 MHz eingestrahlt wird, wird in den gleichen zeitlichen Abständen ein Dopplersignal empfangen.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Detektion von Gasblasen in einem transportierten Strom einer Flüssigkeit mittels Ultraschall, wobei das Messvolumen ein zylindrisches Rohr ist, an das von außen ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger dicht angebracht sind, ohne dass Vorsprünge in das Messvolumen ragen und dass der Ultraschallempfänger so ausgelegt ist, dass er das von einer in der Flüssigkeit mittransportierten Gasblase aufgrund des Impedanzunterschiedes Flüssigkeit/Gasblase erzeugte Dopplersignal emp­ fangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall ungerichtet ist und das Messvolumen möglichst vollständig erfasst, und dass als Beleg für die Existenz eines Gasbläschens nur ein Ereignis gewertet wird, bei dem zuerst ein negativer und danach ein positiver Frequenzanteil des Dopplersignals geliefert wird.

2. Verfahren zur Detektion von Gasblasen in einer transportierten Flüssigkeit mittels Ultraschall, wobei die Flüssigkeit durch ein zylindrisches Rohr als Messvolumen gefördert wird, Ultraschallwellen in das Messvolumen eingespeist und von einem Sensor wieder aufgenommen werden, wobei das von einer in der Flüssigkeit mittransportierten Gasblase aufgrund des Impedanzunterschiedes Flüssigkeit/Gasblase erzeugte Dopplersignal re­ gistriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall ungerichtet ist und das Messvolumen möglichst vollständig erfaßt und dass als Beleg für die Existenz eines Gasbläschens nur ein Ereignis gewertet wird, bei dem zuerst ein negativer und danach ein positiver Frequenzanteil des Dopplersignals geliefert wird.