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Gerät zur Uberwacllung der Eigenschaften eines Mediums durch Messung
der Phasendrehung akustischer Wellen Die Schallgeschwindigkeit in einem Medium ist
abhängig von dessen physikalischen und chemischen Eigenschaften, und man hat umgekehrt
aus Messungen der Schallgeschwindigkeit Rückschlüsse auf Änderungen der letzteren
gezogen.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines mit einer kleinen Meßstrecke
arbeitenden einfachen Gerätes zur laufenden Anzeige oder Registrierung der Schallgeschwindigkeit
eines in einer Meßkammer eingeschlossenen oder diese durchströmenden Mediums. Meßeinrichtungen,
bei denen die Lage eines Maximums oder Minimums durch Ändern der Schallfrequenz
oder der Länge der benutzten Meßstrecke zu bestimmen ist, sind für diesen Zweck
nicht geeignet. Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit aus der Laufzeit periodisch
ausgesandter Impulse gestattet keine ausreichend genaue Anzeige verhältnismäßig
kleiner Änderungen der Schallgeschwindigkeit und erfordert einen großen Aufwand
an Geräten.
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Bei den für Messungen mit Ultraschall benutzten Interferometern befindet
sich das Medium zwischen einer als Sender dienenden Quarzplatte und einem dieser
parallel gegenüberstehenden Reflektor, zwischen denen sich stehende Wellen ausbilden.
Durch Einstellung auf Resonanz der stehenden Welle wird die Wellenlänge bestimmt.
Dadurch, daß die Quarzfiäche eine ebene Welle abstrahlt, ist der Wandeinfluß im
wesentlichen ausgeschaltet. Eine laufende Anzeige einer veränderlichen Schallgeschwindigkeit
kann mit diesem Gerät nicht erhalten werden.
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Um Intensitätsmessungen im Schallfelde eines Senders innerhalb eines
geschlossenen Raumes vornehmen zu können, ist es bekannt, die Wände des Raumes schallabsorbierend
zu gestalten.
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Für die Vakuummessung ist ein Gerät bekannt bei dem ein großflächiger
Schallsender und -empfänger in einem geschlossenen, an die Vakuumleitung angeschlossenen
Raum einander gegenüber angeordnet sind. Die Stärke der Erregung des Empfängers
nimmt mit Zunahme des Vakuums ab. Mittel zur Verhinderung von Schallreflexionen
an den Wänden des Raumes oder den Strahlflächen von Sender und Empfänger sind nicht
vorgesehen.
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Für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines praktisch unbegrenzten
Mediums ist es bekannt, einen Schallsender und -empfänger hintereinander in der
Strömungsrichtung anzuordnen und die durch obere lagerung der Strömungsgeschwindigkeit
und der Schallgeschwindigkeit erzeugte Phasenverschiebung des empfangenen Schalls
zu messen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Übenvachung von
Eigenschaften eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, bei der ein elektroakustischer
Sender einen ebensolchen Empfänger in einer das Medium enthaltenden Meßkammer gegenübersteht,
wobei die Wandung der Meßkammer und die Strahlerflächen so aus-
gebildet bzw. angeordnet
sind, daß nur Schallwellen von einerlei Weglänge zum Empfänger gelangen, wobei gemäß
der Erfindung ein selbständig anzeigendes, schreibendes oder eine elektrische Regelgröße
lieferndes Phasenmeßgerät zur Messung der Phasendifferenz der Sender- und Empfängerspannung
bzw. -stromes vorgesehen ist und die Schallweglänge zwischen Sender und Empfänger
bzw. die Schallfrequenz so gewählt sind, daß die Phasenänderung zwischen der größten
und kleinsten vorkommenden Schallgeschwindigkeit des Mediums vorzugsweise gleich
oder auch kleiner als der eindeutige Meßbereich des Phasenmessers, zumindest kleiner
als 360°, ist.
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Der Vorteil der Erfindung beruht auf der Benutzung rein fortschreitender
Wellen in einem geschlossenen Raum. Während die bekannten Verfahren zur Messung
der Schallgeschwindigkeit in einem abgeschlossenen Raum mit stehenden Wellen arbeiten,
wird im vorliegenden Falle eine fortschreitende Welle benutzt, wodurch die Notwendigkeit,
Resonanzeinstellungen vornehmen zu müssen, fortfällt und die Benutzung eines laufend
anzeigenden Phasenmessers ermöglicht wird. Mit einem nach elektronischem Prinzip
arbeitenden Phasenmeßgerät ist eine Genauigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessung
von 1 010 und weniger, bezogen auf die größte meßbare Änderung, zu erzielen. Das
Meßergebnis wird als Strom oder Spannung erhalten, womit z. B. ein entferntes Registriergerät
betrieben oder ein Regler gesteuert werden kann. Die Messung erfordert keine Einstellung
von Hand und folgt Änderungen der Schallgeschwindigkeit augenblicklich. Die Erzeugung
einer fortschreitenden Welle in einem geschlossenen Raum ist für flüssige oder gasförmige
Medien in bekannter Weise durch eine geeignete Anordnung der Strahlflächen und
durch
Verwendung absorbierender Wandbekleidungen möglich.
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Da die augenblickliche Phasendifferenz ständig angezeigt wird, ist
das Meßgerät nach der Erfindung besonders geeignet zur Überwachung veränderlicher
Eigenschaften eines Mediums, z. B. eines Mischungsverhältnisses zweier Flüssigkeiten,
zur Feststellung des Reifegrades hochpolymerer Verbindungen, zur Bestimmung des
Salzgehaltes einer Lösung usw.
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Richtige Meßwerte der Phasendifferenz können nur erhalten werden,
wenn die Ausbildung stehender Wellen sicher vermieden ist. Es wäre z. B. falsch,
zwei großflächige Strahler in verhältnismäßig geringem Abstand voneinander als Sender
und Empfänger gegenüberzustellen. Das gleiche gilt, wenn Sender und Empfänger zwar
kleine Strahlflächen und verhältnismäßig großen Abstand aufweisen, aber in parallel
zueinander angeordneten ebenen, den Schall reflektierenden Wandflächen eingebaut
sind. Auch werden die Behälter, in denen das Medium aufbewahrt oder behandelt wird,
oder die Rohrleitungen, die es durchfließt, im allgemeinen nicht die erforderlichen
akustischen Eigenschaften aufweisen.
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Damit sich kein stehendes Schallfeld von die Messung fälschender
Stärke ausbildet, wird man zweckmäßig mindestens einen Teil der Wandung der Meßkammer
mit schallschluckenden Stoffen bekleiden. Ein geeignetes Material bestimmter Zusammensetzung
und Formgebung ist z. B. das unter dem Namen »Fafnir. bekanntgewordene. Geeignet
sind auch porige, flüssigkeitsgetränkte Körper sowie Gemenge von breiartiger Konsistenz,
die zweckmäßig durch eine schalldurchlässige Wand, z. B. aus Gummi, von dem Medium
getrennt werden.
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Die Schwinger müssen schallweich in der Wandung der Meßkammer befestigt
sein, damit kein direkter Schallübergang zwischen beiden möglich ist.
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Stehen sich Strahlerflächen mit Abmessungen gleich oder größer als
eine Wellenlänge in verhältnismäßig kleinem Abstand gegenüber, so ist es zweckmäßig,
mindestens eine davon schräg zur Fortpflanzungsrichtung der einfallenden Wellen
anzuordnen.
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Das Medium kann entweder zwecks Messung in die Meßkammer eingefüllt
werden und diese dabei unter Umständen gleichzeitig als Behandlungsraum dienen,
oder das Medium kann die Meßkammer ständig durchströmen.
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Wenn es sich um angreifende oder explosionsgefährliche Flüssigkeiten
handelt, wird man vermeiden, elektrische Spannungen in den Meßraum einzuführen und
die anregenden Spulen oder Elektroden der Schallschwinger außerhalb der Meßkammer
anordnen. Der Schall kann auch über A/2 Koppelschwinger, z. B. aus porzellanartiger
Masse, oder über schxvingungsfähige Membranen, z. B. aus einem Kunststoff wie Bakelit,
in die Meßkammer geleitet werden.
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Im allgemeinen wird weder der Wert der Schallgeschwindigkeit noch
der Absolutwert der Phasendifferenz zwischen den Strahlerflächen interessieren,
so daß es ausreicht, die relativen Phasenänderungen, von einem Normalzustand des
Mediums ausgehend, zu messen. Die Feststellung des Ausgangspunktes der Phasenmessung
kann auch bei einem beliebigen Zustand des Mediums durch eine Hilfsmessung unter
Benutzung eines zweiten Senders oder Empfängers und einer dadurch veränderten Schallweglänge
ermöglicht werden.
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Im folgenden wird eine Vorrichtung beschrieben, die mit einfachen
Mitteln auf kleinem Raum die laufende Beobachtung und/oder Registrierung der Schallgeschwindigkeit
eines zu überwachenden Mediums ermöglicht.
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Das abgebildete Gerät besteht aus einem Ultraschallsender 1 und einem
auf die gleiche Frequenz abge-
stimmten Ultraschallempfänger 2 in Form von Nickelröhren
bestimmter Länge, die in ihrer Mitte im Schwingungsknoten gehaltert sind und magnetostriktiv
angeregt werden. An dem in der Meßkammer befindlichen Ende sind die Nickelrohre
durch eine aufgelötete Platte verschlossen, die als Strahlfläche dient und deren
Durchmesser klein gegen die Wellenlänge ist. Die beiden Schwinger sind in der Wandung
einer Meßkammer 8 körperschallisoliert mittels zweier Gummistopfen 10 eingesetzt.
Das durch die Rohrleitungen 11, 12 zu- und abfließende zu untersuchende Medium durchströmt
ständig die Meßkammer. Zur Unterdrückung von Schallreflektionen im Innern der Meßkammer
8 sind um die beiden Schwinger herum Schallschlucker 9 aus Glaswatte angebracht.
Der Schwinger 1 wird über die Spule 3 von einem elektrischen Schwingungserzeuger
5 in seiner Grundfrequenz f erregt. Ihm gegenüber befindet sich der Empfänger 2,
in dessen Spule 4 eine Spannung erzeugt wird. Die an den Spulen 3 und 4 herrschenden
Spannungen werden, gegebenenfalls verstärkt, einem Phasenmesser 7 zugeführt. Ein
Phasendreher 6 gestattet es, zu Beginn der Untersuchung einen für das Meßgerät geeigneten
Mittelwert der Phase einzustellen, der vorteilhaft dem Mittelwert der vorkommenden
Schallgeschwindigkeiten entspricht.
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Das Phasenmeßgerät kann unter Verwendung einer Enneode aufgebaut
sein oder aus einem Kathodenstrahlrohr in Verbindung mit einer geeigneten Brückenschaltung
bestehen. Zweckmäßig erhält das Phasenmeßgerät eine Skala, auf der die zu überwachende
Eigenschaft, z. B. ein Mischungsverhältnis, direkt angezeigt wird.
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Durch Anbringung der Spulen 3 und 4 außerhalb der Meßkammer ist z.
B. bei Untersuchung explosionsgefährlicher Stoffe jede Gefahr ausgeschlossen.
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Der gemessene Phasenwinkel unterscheidet sich nur durch eine Konstante
von dem Wert der Phasendifferenz f der Wellen an den Sftahlfllchen der Schwinger
1 und 2, die im Abstand d angeordnet sind.
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Für die Frequenz f und die Schallgeschwindigkeit c ist f.d 3600.
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Seien c1 und c2 die äußersten Werte der Schallgeschwindigkeit sowie
g 2 die entsprechenden Phasendifferenzen, so ist
Mit Hilfe dieser Gleichung kann f und d so berechnet werden, daß der Anzeigebereich
des Phasenmessers möglichst voll ausgenutzt wird und die Anzeige eindeutig bleibt.
Dieses werde an einigen Beispielen erläutert.
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1. Bei einem zu überwachenden Reifeprozeß treten Schallgeschwindigkeiten
im Bereich von 1300 bis 2700 m/sec auf. Der Ablauf des Prozesses soll registriert
werden. Zur Phasenmessung werde eine Enneode benutzt, mit der eine eindeutige Messung
der Phasendifferenz in einem Bereich von 1200 möglich ist.
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Es sei gewählt d = 5 cm. Dann ist f < 16,7 kHz zu machen.
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2. Es seien Änderungen einer Schallgeschwindigkeit im Bereich von
1400 bis 1500 m/sec zu beobachten. Zur
Phasenmessung diene ein Kathodenstrahlrohr
mit einem Phasenmeßbereich von 360°, also
Es sei gewählt f = 30 kHz, dann muß sein d < 70 cm.
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3. Das Mischungsverhältnis zweier Flüssigkeiten ist zu registrieren.
Die Schallgeschwindigkeiten liegen zwischen 700 und 850 m/sec. Die Messung erfolge
unter Benutzung einer Enneode. Daher ist
Mit d = 5 cm ergibt dies f ~ 26,5 kHz.
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Falls die Schallgeschwindigkeit in störender Weise von der Temperatur
beeinflußt wird, kann dieser Einfluß entweder durch gleichzeitige Ablesung der Temperatur
und Anbringung einer Korrektur an der Anzeige des Phasenmessers oder durch Benutzung
eines Instrumentes mit zwei gekreuzten Zeigern berichtigt werden. Es ist auch denkbar,
für Registrier- und Regelzwecke, z. B.
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Steuerung der Mischung zweier Flüssigkeiten, durch einen temperaturabhängigen
Hilfsstrom eine direkte Korrektur der Anzeige bzw. der Regelgröße zu bewirken.
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Um die Meßkammer klein ausführen zu können, kann man unter Benutzung
akustischer Spiegel einen geknickten Schallweg zwischen Sender und Empfänger herstellen.