DE10036567A1 - Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums - Google Patents

Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums. Die Vorrichtung ist insbesondere in der Lage, Einwirkungen von physikalischen und/oder chemischen Parametern, die Änderungen in der Dichte und/oder der Kompressionskonstanten des Mediums zur Folge haben. Die Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums besteht aus einer Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals mit konstanter Frequenz und Amplitude, wobei das Sendesignal mindestens eine Periode besitzt und die Sendeeinrichtung an das Medium gekoppelt ist. Zum Aufnehmen der reflektierten und/oder transmittierten Antwortsignale aus dem Medium ist mindestens eine Empfangseinrichtung vorhanden. Die Empfangseinrichtung ist mit einem A/D-Wandler und einer Samplingeinrichtung gekoppelt. Die Sendeeinrichtung und der Ausgang des A/D-Wandlers ist mit einer numerischen Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal verbunden, deren Ausgang mit einem Display verbunden ist. Anstelle des Displays kann auch ein Speichermedium verwendet werden, aus dem später der zeitliche Verlauf der Änderung der Dichte abgenommen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums. Die Vorrichtung ist insbesondere in der Lage, Einwirkungen von physikalischen und/oder chemischen Parametern, die Änderungen in der Dichte und/oder der Kompressionskonstanten des Mediums zur Folge haben, wie sie zum Beispiel bei Temperatur- oder Druckänderungen, bei einer chemischen, biochemischen oder physikalischen Reaktion auftreten, in ihrer Auswirkung auf die Dichte des Mediums zu erfassen.
Änderungen der Temperatur und des Druckes werden bekanntlich mit herkömmlichen Mitteln zur Temperatur- und Druckmessung erfasst. Diese Mittel versagen jedoch, wenn ein Medium nicht zugänglich ist oder sich das Medium in einer Umgebung befindet, in der keine Messeinrichtungen eingebracht werden können. Außerdem sind diese Änderungen häufig so gering, dass sie nur mit sehr aufwendigen Messeinrichtungen gemessen werden können.
In vielen Fällen ist die Änderung von Temperatur und/oder Druck für den Anwender nur ein Hinweis dafür, dass das Medium die gewünschte Eigenschaft erreicht hat, z. B. dass ein Öl die erforderliche Viskosität besitzt, dass ein empfindliches Gefriergut aufgetaut ist, dass ein Prozess stattfindet oder stattgefunden hat usw.. Temperatur- und/oder Druckmessung dienen damit der Einstellung oder der Feststellung einer bestimmten Qualität eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums.
Soll eine sehr genau Bestimmung von Änderungen vorgenommen werden, oder ein bestimmte Eigenschaft des Mediums sehr genau bestimmt werden, treten die Änderungen plötzlich ein, oder sind schnelle Änderungen zu erfassen, scheiden alle bekannten Messverfahren aus. Es ist deshalb erforderlich, ein neues Verfahren zu schaffen, durch das diese Vorgänge erfasst werden können.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der eine Änderung der strukturellen Eigenschaften eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums mit möglichst geringen Aufwand hochgenau und sehr schnell festgestellt werden kann. Die Vorrichtung soll geeignet sein, auch die strukturelle Eigenschaften von nicht oder schwer zugängliche Medien in geschlossenen Behältern zu erfassen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der anhängenden Patentansprüche gelöst. Die Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums besteht aus einer Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals mit konstanter Frequenz und Amplitude, wobei das Sendesignal mindestens eine Periode besitzt und die Sendeeinrichtung an das Medium gekoppelt ist. Zum Aufnehmen der reflektierten und/oder transmittierten Antwortsignale aus dem Medium ist mindestens eine Empfangseinrichtung vorhanden. Die Empfangseinrichtung ist mit einem A/D-Wandler und einer Samplingeinrichtung gekoppelt. Die Sendeeinrichtung und der Ausgang des A/D-Wandlers ist mit einer numerischen Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal verbunden, deren Ausgang mit einem Display verbunden ist. Anstelle des Displays kann auch ein Speichermedium verwendet werden, aus dem später der zeitliche Verlauf der Änderung der Dichte abgenommen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sendesignal sinusförmig, in einer anderen Ausführungsform ist das Sendesignal ein akustisches Signal. Die Vorrichtung kann also zum Beispiel im Ultraschallgebiet verwendet werden.
Die Sendeeinrichtung ist in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel so gestaltet, dass sie zwei Sendesignalen unterschiedlicher Frequenz aussenden kann, wobei sich die Sendesignale über die Signaldurchlaufzeit um maximal eine Periode unterscheiden. Es genügt für die Auswahl der Frequenzen der Sendesignal die ungefähre Kenntnis über die Länge und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Sendesignal im Medium. Die Tatsache, dass sich die Sendesignale über diese Durchlauflänge nur um maximal eine Periode unterscheiden, wird für eine genaue Bestimmung der Durchlauflänge des Signals durch das Medium ausgenutzt.
Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung können aus einem umschaltbaren Sensor bestehen, und die Länge des Sendesignals ist dann maximal gleich dem zweifachen Abstand zwischen dem Sensor und dem Reflexionspunkt des Sendesignals im Medium.
Die Beschreibung der Funktion erfolgt zunächst für den Fall, dass die Länge, das ist der Weg des Sendesignals zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung bekannt und konstant ist. Dann gilt:
mit Tp Durchlaufzeit durch das Medium und v die Geschwindigkeit des Signals. Es wird ein Signal mit der Frequenz f1 in Abhängigkeit von Medium und Sender ausgesendet.
Das Empfangssignal wird mit einer Abtastfrequenz fsamp mit
mit
m, n ∈ N abgetastet.
Bei Verwendung eines umschaltbaren Sender/Empfängers müssen innerhalb des Weges 2L jeweils ein Vielfaches der Periode des Sendesignals und ein Vielfaches der Periode des Abtastsignals zur Übereinstimmung kommen.
Bsp.: fsamp = 3.5f1 ⇔ 2fsamp = 7f1)
Die Abtastfrequenz fsamp kann kleiner als, gleich oder größer als die Nyquist-Frequenz des Sendesignals sein. m und n sind durch den Weg L und die Sendecharakteristik beschränkt.
Zuerst wird die Referenzlaufzeit Tx bestimmt, indem die Phasenverschiebung ϕx zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal beim Durchlauf des Sendesignals durch das Medium im Referenzzustand gemessen wird. Um ϕx zu messen, werden z. B. 7 Samplingpunkte (das entspricht 2 Perioden des Sendesignals) herausgegriffen. Dann ergibt sich
wobei N die Anzahl der vollen Perioden des Sendesignals innerhalb des Weges des Signals vom Sender zum Empfänger ist.
Da L bekannt ist, kann man bei Bedarf z. B. die Referenzgeschwindigkeit νx mit der Formel
berechnen.
Wenn eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Mediums erfolgt, wird sich die Geschwindigkeit und folglich die Laufzeit des Signals ändern, da L fest ist. Nun wird also erneut eine Phasenverschiebung ϕp, gemessen und aus der Differenz zur vorhergehenden Phasenverschiebung kann nun die Laufzeit Tp bestimmt werden. Dann ergibt sich
Aus den Veränderungen der Durchlaufzeit Tp[s] kann auf Veränderungen von physikalischen Eigenschaften des Mediums geschlossen werden. Ebenso könnte man das Verhältnis von
betrachten und grafisch darstellen, um Rückschlüsse auf Veränderungen im Medium zu ziehen. Bei Bedarf ist es auch möglich, die Geschwindigkeitsänderung Δν des Signals im Medium zu berechnen mit
Ist die Länge L, d. h. der Weg zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung nur "ungefähr" bekannt und veränderlich und auch die Geschwindigkeit des Signals durch das Medium etwa bekannt, ist die Funktionsweise wie folgt.
Um von L unabhängig zu sein, werden in diesem Fall zwei Signale mit unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 ausgesendet. Es gelten folgende Bedingungen:
L ± ΔL
DL sei hinsichtlich den Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Mediums relativ zur Veränderung Δν der Geschwindigkeit des Signals vernachlässigbar.
Für die beiden Sendesignale gelte nf1 = mf2 mit |m - n| ≦ 1, d. h. innerhalb des beschallten Gebietes unterscheiden sich die Sendesignale mit den Frequenzen f1 und f2 um weniger als eine Periode. Das bedeutet auch, je größer L + ΔL ist, desto geringer muss der Unterschied zwischen den Frequenzen sein. Die Frequenzen der beiden Signale sind von dem Medium, Sendecharakteristik, der ungefähren Länge des Schallweges sowie der ungefähren Signalgeschwindigkeit im Medium abhängig.
Es gilt:
(Bsp.:
2fsamp = 7f1
2fsamp = 6.5f2 ⇒ 4fsamp = 13f2).
Es werden nacheinander zwei Sendesignale gesendet und die reflektierten bzw. transmittierten Signale so mit der Frequenz fsamp abgetastet, dass jeweils ein Vielfaches einer vollen Periode des entsprechenden Signals in den Sendesignalen enthalten ist. Die Abtastfrequenz, fsamp kann dabei unabhängig von der Nyquist-Frequenz gewählt werden. Es können z. B. 7 Samplingpunkte 2 Perioden des ersten Sendesignals mit der Frequenz f1 entsprechen und 13 Samplingpunkte 4 Perioden des zweiten Sendesignals mit der Frequenz f2) entsprechen, wie in dem obigen Beispiel dargestellt.
Mit Hilfe der gesampelten Werte werden die Phasen ϕE,1 und ϕE,2 der empfangenen Signale sowie ϕS,1 und ϕS,2 der Sendesignale gemessen. Daraus kann mit der Formel
der Wert für N (N entspricht der Anzahl der vollen Perioden des Sendesignals mit der Frequenz f1 innerhalb des Messweges) berechnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Signale mit einer Phase von 0° auszusenden und nur die Phasen der Empfangssignale zu messen. Dann vereinfacht sich die obige Formel zu
Sind N und die gemessene Durchlaufzeit im Referenz- bzw. Ausgangszustand des Mediums Tx bekannt, ergibt sich die neue Durchlaufzeit Tp durch
Betrachtet man die Veränderung der Durchlaufzeit Tp - Tx über die Zeit, so kann man auch hier Rückschlüsse auf Veränderungen der physikalischen Eigenschaften im Medium schließen. Falls für beide gesendete Signale f1 und f2 Abweichungen vorhanden sind, kann z. B. die aus den beiden Werten von Tp, die sich aus den Berechnungen ergeben, ein Mittelwert gebildet werden.
Entscheidend ist stets der Weg zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung. Ist ein gutes Echo vorhanden, d. h. sind z. B. sich gegenüberliegende parallele Wände im Medium vorhanden, sollte das Verfahren in der Reflexion verwendet werden. Es ist dann nur ein Koppelpunkt der Vorrichtung an das Medium vorhanden und es kann einfach durch leichte Verschiebungen der Sende-/Empfangseinrichtung ein maximales Echosignal ermittelt werden.
Das Verfahren kann sowohl im Schallgebiet als auch mit Hilfe elektromagnetischer Wellen durchgeführt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums dargestellt. Ein Generator 1 und eine Sendeeinrichtung 2 erzeugen ein Sendesignal mit konstanter Frequenz und Amplitude, wobei das Sendesignal mindestens eine Periode besitzt. Die Sendeeinrichtung 2 ist an das Medium 3 gekoppelt. Zum Aufnehmen der reflektierten und/oder transmittierten Antwortsignale aus dem Medium 3 ist mindestens eine Empfangseinrichtung 4 vorhanden. Die Empfangseinrichtung 4 wird von einer Samplingeinrichtung 5 angesteuert, der ein A/D-Wandler 6 folgt. Die Sendeeinrichtung 2 und der Ausgang des A/D-Wandlers 6 sind mit einer numerischen Verarbeitungseinrichtung 7 zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal verbunden, deren Ausgang an ein Display 8 gekoppelt ist. Es ist auch möglich, zusätzlich oder anstelle des Displays ein Speichermedium 9 anzuschließen. Aus der Veränderung der Phasenverschiebung über eine bestimmte Zeit können nachträglich bestimmte Eigenschaften des Mediums ermittelt werden.
Zur Funktion dieser Vorrichtung ist es erforderlich, dass die Länge des Sendeweges, d. h. der Weg des Sendesignals von der Sendeeinrichtung 2 durch das Medium 3 bis zur Empfangseinrichtung 4 sowie die Geschwindigkeit des Sendesignals durch das Medium 3 bekannt sind.
In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Feststellung von Veränderungen der Änderung der Dichte eines Mediums 3 dargestellt, die zusätzlich mit einer Kalibrierungseinheit ausgerüstet ist. Ein Generator 1 und eine Sendeeinrichtung 2 erzeugen gleichzeitig oder kurz hintereinander zwei Sendesignale mit konstanter Frequenz und Amplitude, wobei die Sendesignale mindestens eine Periode besitzen. Die Sendeeinrichtung 2 ist an das Medium 3 gekoppelt. Zum Aufnehmen der reflektierten und/oder transmittierten Antwortsignale aus dem Medium 3 ist eine Empfangseinrichtung 4 vorhanden. Die Sendeeinrichtung 2 und die Empfangseinrichtung 4 sind an identische Kanäle gekoppelt, in denen die Signale in bekannter Weise konditioniert und in einem Filter 12 gefiltert werden. In einem Mischer 13 werden die Signale jeweils mit dem Sendesignal gemischt. Beide Kanäle sind über ein Schieberegister 10, in dem sich die Digitalwerte aus dem A/D-Wandler 6 befinden, mit einer numerischen Verarbeitungs­ einrichtung 7 zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignalen der beiden Frequenzen verbunden, deren Ausgang in diesem Fall ebenfalls an ein Display 8 gekoppelt sind.
Diese Ausführungsform ist besonders für die Anwendungsfälle geeignet, in denen die Länge des Weges von der Sendeeinrichtung 2 durch das Medium 3 zur Empfangseinrichtung 4 und die Geschwindigkeit des Sendesignals durch das Medium 3 nur ungefähr bekannt sind. Zur Bestimmung der Länge des Weges von der Sendeeinrichtung 2 zur Empfangseinrichtung 4 werden zwei Sendesignale unterschiedlicher Frequenz erzeugt, die sich über den Weg von der Sendeeinrichtung 2 zur Empfangseinrichtung 4 nur um maximal eine Periode unterscheiden. Aus der Phasenverschiebung, die durch diese Bedingung innerhalb einer Periode liegt, kann die Länge des Weges von der Sendeeinrichtung 2 zur Empfangseinrichtung 4 in der Berechnungseinheit 7 genau bestimmt werden, wie einleitend erläutert wurde. Für die weitere Feststellung von Phasenverschiebungen zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal können dann beide Signale herangezogen werden, es kann aber auch eines der Signale ausgeschaltet werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals mit konstanter Frequenz und Amplitude vorhanden sind, wobei das Sendesignal mindestens eine Periode besitzt und die Sendeeinrichtung an das Medium gekoppelt ist, dass zum Aufnehmen der reflektierten und/oder transmittierten Antwortsignale aus dem Medium mindestens eine Empfangseinrichtung vorhanden ist, dass die Empfangseinrichtung mit einem A/D-Wandler und einer Samplingeinrichtung gekoppelt ist, dass die Sendeeinrichtung und der Ausgang des A/D-Wandlers mit einer numerischen Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal verbunden ist, deren Ausgang mit einem Display verbunden ist.
2. Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal sinusförmig ist.
3. Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal ein akustisches Signal darstellt.
4. Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung zum Aussenden von zwei Sendesignalen unterschiedlicher Frequenz vorgesehen ist und dass sich die Sendesignale über die Signaldurchlaufzeit um maximal eine Periode unterscheiden.
5. Vorrichtung zur Feststellung der Änderung der Dichte eines Mediums nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung aus einem umschaltbaren Sensor besteht, und die Länge des Sendesignals maximal gleich dem zweifachen Abstand zwischen dem Sensor und dem Reflexionspunkt des Sendesignals im Medium ist.
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