DE102004018785A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte mittels Ultraschall anzugeben, welche über einen sehr einfachen Aufbau verfügt und dabei noch eine hohe Messgenauigkeit realisiert. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Ultraschallimpuls über eine erste Vorlaufstrecke der zu vermessenden Flüssigkeit zugeführt und anschließend über eine zweite Vorlaufstrecke auf ein Referenzmaterial geführt. Die Amplituden reflektierter Teilsignale sowie die zugehörigen Laufzeiten und die bekannte Signallaufstrecke durch die zu vermessende Flüssigkeit werden zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit sowie der akustischen Impedanz der zu vermessenden Flüssigkeit herangezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es gibt eine ganze Reihe von Verfahren zur Dichtebestimmung mittels Ultraschall in Flüssigkeiten. So gibt es z.B. ein Verfahren nach „McClements und Fairley" in dem ein Ultraschallpuls in eine Vorlaufstrecke aus einem Referenzmaterial eingekoppelt wird. An der Grenzschicht zur Flüssigkeit tritt eine Reflexion und Transmission der senkrecht einfallenden Ultraschallwelle auf. Der reflektierte Teil wird zur Bestimmung der akustischen Impedanz der Flüssigkeit genutzt. Der transmittierte Teil durchquert die Flüssigkeit, wird an einem Reflektor zurückgestrahlt, durchquert erneut die Flüssigkeit und wird dann in das Referenzmaterial eingekoppelt. Der Sendewandler empfängt dieses Signal. Die Zeitdifferenz zwischen den empfangenen Amplituden beinhaltet die Laufzeit und damit die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit. Dieser Sensor ist sehr empfindlich gegenüber Alterung und Drift von Piezokeramik, Sensorkomponenten und Elektronik, da er die Amplitude des ausgesandten Signals nicht messen kann. Daher muss dieser oft rekalibriert werden.[2]
  • In der DE 30 16 323 C3 wird ein Verfahren beschrieben, welches sehr ähnlich wie das Verfahren von „McClements und Fairley" arbeitet, jedoch wird der Referenzkörper umlaufend eingeschnitten. An diesem Einschnitt ergibt sich eine zusätzliche Reflexion des Sendesignals. Diese Reflexion ist ein Maß für den Sendeimpuls, demzufolge kann auf eine Nachkalibrierung verzichtet werden. Der umlaufende Einschnitt verursacht Beugungswellen, welche zu einer erheblichen Verschlechterung des Signalrauschabstandes führen. [2]
  • Delsing nutzt zwei Vorlaufstrecken mit verschiedener akustischer Impedanz. Somit wird es möglich, ein an der Grenzfläche der Referenzmaterialien reflektiertes Signal (A1) zu empfangen, welches die Stärke des Sendeimpulses angibt. Problematisch hierbei ist, dass das an der Flüssigkeit reflektierte Echo die Grenze zwischen den beiden Referenzmaterialien zwei mal passieren muss. Dies verkleinert dessen Amplitude (A2) im Verhältnis zum Sendeimpuls (A0) dramatisch. Beispielsweise gilt für eine Referenzstrecke aus PMMA und Edelstahl (Z1 = 3,2 MRayl und Z0 = 45,7 MRayl) für das Verhältnis der Amplituden [4] A2/A0:50,29. Dadurch wird der Signalrauschabstand deutlich verschlechtert [1]. (Der Reflektionsfaktor an der Grenzfläche der Referenzmaterialien beträgt bei dieser Anordnung 0,87.)
  • Beim Ultraschall-Dichtesensor nach Adamowski wird in das Referenzmaterial eine dünne PVDF-Folie eingefügt. Sie dient als Empfänger des vom Ultraschallwandler erzeugten Sendeimpulses und der reflektierten Amplituden an der Grenzschicht zur Flüssigkeit und am Reflektor. Zusätzlich arbeitet die PVDF-Folie als Longitudinalwellen- und Ebenenwellenfilter, da sie aufgrund ihrer Struktur nur longitudinale Wellen senkrecht zur Folie passieren lässt. Nachteilig ist hierbei das sehr kleine Signal, welches von PVDF-Wandlern empfangen wird und der begrenzte Einsatzbereich von PVDF bis 80°C [2].
  • In der Veröffentlichung „Ultrasonic density measurement for process control", J.M. Hale, Ultrasonics 1988, Vol. 26, November, S.356 ff. wird eine Ultraschalldichtemessung beschrieben. Bei dieser Messung wird ein Schallsignal mit der Amplitude A1 aus einem Schallwandler mit bekannter akustischer Impedanz Z1 in die zu untersuchende Substanz der akustischen Impedanz Zx gestrahlt und mit einem weiteren Schallwandler mit bekannter akustischer Impedanz Z2 empfangen. Die Amplitude des Empfangssignals ist abhängig von A1, Z1, Zx, Z2 und der Absorption der Flüssigkeit. Die Hauptquelle von Messfehlern ist die unbekannte Schallabsorption, die einen weitaus größeren Einfluss auf das Messergebnis haben kann als Zx. Ein weiteres Problem ist die beispielsweise durch thermische Drift hervorgerufene Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers. Sie führt dazu, dass die Absorption A1 nicht nur von der Amplitude der elektrischen Anregung abhängt und somit nur unzulänglich bekannt ist. Diese Fehlerquellen lassen bestenfalls einen Einsatz im Labor bei konstanten Temperaturen möglich erscheinen. Wegen mangelnder Langzeitstabilität infolge fehlender Referenz sowie des Einflusses der Schallabsorption der Flüssigkeit ist dieses Verfahren für die Prozessmesstechnik ungeeignet [5].
  • Im EP 036 4 168 ist ein Verfahren der Dichtemessung beschrieben, in welchem ein Ultraschallwandler durch die zu vermessende Flüssigkeit einen Referenzkörper beschallt. Der Referenzkörper ist dabei vollständig in die Messflüssigkeit getaucht. Zur Auswertung werden drei empfangene Amplituden verwendet. Die erste Amplitude resultiert aus der Reflexion zwischen Flüssigkeit und Referenzmaterial, die zweite aus der Reflexion Referenzmaterial-Flüssigkeit (Rückseite) und der Transmission Referenzmaterial-Flüssigkeit (Vorderseite). Die dritte Empfangsamplitude entspricht der Reflexion der zweiten Amplitude an beiden Seiten im Referenzmaterial sowie der Transmission von Referenzmaterial und Flüssigkeit. Der Reflexionskoeffizient der Flüssigkeit wird aus diesen drei Amplituden berechnet. Durch die Art der Berechnung wird die Dämpfung der Flüssigkeit und des Referenzmaterials vernachlässigt. Als Referenzmaterial wird vorzugsweise Glas verwendet. Für Wasser ergibt sich folgender Zusammenhang für die Amplituden: A1/A0 = 0,77; A2/A0 = 0,24; A3/A0 = 0,14. Das Problem des Messfehlers ist dem Verfahren von Fischer und Delsing sehr ähnlich. Die Amplituden sind im Vergleich zum Generatorsignal sehr klein und das Signal-Rausch-Verhältnis ist gering, was die Genauigkeit begrenzt [1].
  • Aus der DE 195 35 848 C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine mehrschichtige Schallwandleranordnung und eine Auswerteeinrichtung die akustischen Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften einer zu untersuchenden Flüssigkeit bestimmen. Von einem Schallwandler wird jeweils ein Schallimpuls in eine erste und eine zweite akustische Vorlaufstrecke vorzugsweise gleichzeitig eingestrahlt, wobei die an der Grenzschicht der ersten Vorlaufstrecke zur untersuchten Flüssigkeit und an der Grenzschicht der zweiten Vorlaufstrecke zu einem Referenzmedium reflektierten Schallwellenzüge mittels Schallwandler empfangen und ausgewertet werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass eine sehr spezielle und komplizierte Vorrichtung notwendig ist. Diese Vorrichtung verfügt über zwei Koppelstellen zum Referenzmaterial, wobei eine Veränderung einer Koppelstelle zu einem systematischen Messfehler führt. Ein Aufbau als Standardultraschallprüfkörper ist nicht möglich, da dieses Gerät nur in eine Richtung arbeitet. Weiter sind zwei Ultraschallwandler nötig, was den Aufbau kompliziert
  • In der Dissertation "Ultraschalluntersuchungen zur Konzentrationsbestimmung an flüssigen Mehrkomponentensystemen unter Nutzung des Prinzips der Parameterabhängigkeit von Stoffen am Beispiel der Schallgeschwindigkeit und der Dichte", Raid Safi, Martin-LutherUniversität Halle-Wittenberg 1996, S.80 ff ist eine mögliche Messung der Schallabsorption mit einer Vorrichtung nach „McClements und Fairley" beschrieben worden. In diesem Verfahren muss die Koppelstelle bei der Berechung berücksichtigt werden, was zu einem erheblichen Messfehler führt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dichte mittels Ultraschall anzugeben, welche über einen sehr einfachen Aufbau verfügt und dabei noch eine hohe Messgenauigkeit realisiert.
  • Bei einem Verfahren zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte in Flüssigkeiten mittels mindestens eines von einem Ultraschallwandler ausgesandten Impulses, der durch zwei Vorlaufstrecken mit gleicher bekannter akustischer Impedanz geleitet wird und weiterhin auf ein Referenzmaterial mit gleicher bekannter akustischer Impedanz geleitet wird, wird erfindungsgemäß ein Ultraschallimpuls über eine erste Vorlaufstrecke der zu vermessenden Flüssigkeit zugeführt und anschließend über eine zweite Vorlaufstrecke auf ein Referenzmaterial geführt. Weiterhin werden die Amplituden A1, A2, A3 der an den Berührungsstellen der ersten Vorlaufstrecke mit der zu vermessenden Flüssigkeit, der Flüssigkeit mit der zweiten Vorlaufstrecke und der zweiten Vorlaufstrecke mit dem Referenzmaterial reflektierten Teilsignale sowie die zugehörigen Laufzeiten t1, t2, t3 und die bekannte Signallaufstrecke s1 durch die zu vermessende Flüssigkeit zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit sowie der akustischen Impedanz der zu vermessenden Flüssigkeit herangezogen
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass nur eine Einkoppelstelle, nämlich zwischen Schallwandler und erster Vorlaufstrecke, erforderlich ist. Weiterhin besteht der Vorteil, dass handelsübliche Schallwandler einsetzbar sind. Weiterhin können bei diesem Verfahren eine Drift oder Alterung der Piezokeramik des Ultraschallwandlers sowie Einflüsse auf die Einkoppelstelle auf Grund des Aufbaus kompensiert werden. Zusätzlich kann für die zu vermessende Flüssigkeit ein dämpfungsadäquater Beiwert bestimmt werden.
  • Es ist zweckmäßig, dass aus den gespeicherten Laufzeiten t1 und t2 und der bekannten Signallaufstrecke s1 die Ultraschallgeschwindigkeit c1 der zu vermessenden Flüssigkeit entsprechend der Beziehung
    Figure 00050001
    ermittelt wird.
  • Weiterhin kann die akustische Impedanz Z2 der zu vermessenden Flüssigkeit entsprechend der Formel
    Figure 00050002
    ermittelt werden, wobei
    • Z1
    die akustische Impedanz der ersten Vorlaufstrecke
    k
    ein mit Hilfe einer bekannten Flüssigkeit bestimmter Korrekturfaktor und
    R3
    der Reflexionskoeffizient zwischen dem Material der zweiten Vorlaufstrecke und dem Referenzmaterial
    sind.
  • Die Dichte der zu vermessenden Flüssigkeit kann gemäß der Formel
    Figure 00060001
    ermittelt werden.
  • Eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten mittels eines Ultraschallwandlers, zweier Vorlaufstrecken mit bekannter akustischer Impedanz und mittels eines Referenzmaterials mit bekannter akustischer Impedanz, insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass der nur eine Wirkrichtung aufweisenden Ultraschallwandler an eine erste Vorlaufstrecke angeschlossen ist, der die zu vermessende Flüssigkeit nachgeordnet ist, und dass sich dieser die zweite Vorlaufstrecke anschließt, der das Referenzmaterial nachgeordnet ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise einen Grundkörper auf, dessen Material die erste und zweite Vorlaufstrecke in Form von Vorlaufkörpern bildet, zwischen denen ein Hohlraum für die Aufnahme der zu vermessenden Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei die an den Hohlraum grenzenden Flächen des ersten und zweiten Vorlaufkörpers sowie deren Endflächen, die dem Ultraschallwandler bzw. dem Referenzmaterial zugeordnet sind, parallel verlaufen.
  • Als Material für den Grundkörper ist vorzugsweise Kunststoff und insbesondere PMMA vorgesehen. Es kann aber auch Glas verwendet werden.
  • Als Referenzmaterial ist vorzugsweise Luft vorgesehen. Es kann aber auch Öl oder Wasser verwendet werden.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Vorlaufstrecken unterschiedlich lang sind, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die erste Vorlaufstrecke länger ist als die zweite Vorlaufstrecke. Die Vorlaufstrecken können aber auch gleich lang sein.
  • Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung erläutert werden.
  • Die Vorrichtung weist einen PMMA Grundkörper 1 auf, welcher exakt parallele Kanten der beiden Vorlaufkörper aufweist. Als Referenzmaterial wurde Luft verwendet, der Korrekturfaktor wurde durch die Messung von Wasser mit bekannter akustischer Impedanz ermittelt. Als Ultraschallwandler wurde ein handelsübliches Gerät verwendet. Als Auswerteeinrichtung wurde ebenfalls ein im Handel erhältliches Gerät verwendet.
  • Der Ultraschallwandler führt der ersten Vorlaufstrecke einen Ultraschallimpuls mit der Amplitude A0 zu. Dieser Impuls führt an der Berührungsstelle zwischen der zu vermessenden Flüssigkeit und der ersten Vorlaufstrecke zu einer teilweisen Reflexion, welche zum Ultraschallwandler zurückgeführt wird. Die Höhe dieser reflektierten Amplitude A1 hängt vom Reflektionskoeffizienten R1 zwischen dem Vorlaufstreckenmaterial und der zu vermessenden Flüssigkeit ab. Die Auswerteinrichtung speichert die Amplitude und die Laufzeit t1 dieses teilweise reflektierten Impulses.
  • Das in die zu vermessende Flüssigkeit über den Vorlaufkörper-Flüssigkeits-Transmissionskoeffizienten D1 transmittierte Signal wird an der Berührungsstelle zum zweiten Vorlaufkörper mit dem Flüssigkeits-Vorlaufkörper-Reflexionskoeffizienten R2 teilweise reflektiert und gelangt über die Flüssigkeit und über die erste Vorlaufstrecke mit dem Flüssigkeits-Vorlaufkörper-Transmissionskoeffizienten D2 zum Ultraschallwandler. Diese empfangene Amplitude A2 und die zugehörige Laufzeit t2 werden ebenfalls in der Auswerteinrichtung gespeichert.
  • Das teilweise über D2 in die zweite Vorlaufstrecke transmittierte Signal gelangt zum Referenzmaterial, an welchem es größtenteils mit dem Reflektionskoeffizienten R3 reflektiert wird. Dieses reflektierte Signal gelangt über den zweiten Vorlaufkörper (mit D1), die zu vermessende Flüssigkeit (mit D2) und den ersten Vorlaufkörper zum Ultraschallwandler. Auch diese empfangene Signalamplitude A3 und die zugehörige Laufzeit t3 werden in der Auswerteeinrichtung gespeichert.
  • Aus den gespeicherten Laufzeiten und der bekannten Signallaufstrecke s1 bestimmt die Auswerteinrichtung die Ultraschallgeschwindigkeit c1 der zu vermessenden Flüssigkeit und je nach Bedarf die Ultraschallgeschwindigkeit c2 im Material der Vorlaufstrecken
    Figure 00080001
  • Des weiteren bestimmt die Auswerteinrichtung die akustische Impedanz Z2 der zu vermessenden Flüssigkeit bei bekannter konstanter Temperatur nach folgender Formel:
    Figure 00080002
  • Die Amplitude A3 wird aufgrund des zweimaligen Durchlaufs durch die zweite Vorlaufstrecke gedämpft. Deshalb ist es nötig diese Dämpfung mit Hilfe des Korrekturfaktor k in der Gleichung zu kompensieren. Der Korrekturfaktor wird mit Hilfe einer bekannten Flüssigkeit, in diesem Fall Wasser, bestimmt. Alle Signalamplituden durchlaufen die Koppelstelle, die Amplituden A2 und A3 durchlaufen auch noch die Flüssigkeit. Aufgrund dessen muss weder die Koppelstelle noch die Dämpfung der Flüssigkeit bei der Berechnung der akustischen Impedanz Z2, berücksichtigt werden.
  • Die Dichte p ist in der Auswerteinrichtung über folgende Gleichung zu bestimmen:
    Figure 00080003
  • Außerdem kann der für die zu vermessende Flüssigkeit charakteristische dämpfungsadäquate Beiwert α wahlweise in Dezibel pro Meter, in Neper pro Meter oder als reines Amplitudenverhältnis unter Berücksichtigung der Reflexions- und Transmissionskoeffizienten bestimmt werden. Er berechnet sich nach folgender Formel:
    Figure 00080004
  • Verwendet wird auch das Dämpfungsmaß d, dass die Abnahme des Schalldruckpegels pro Wegeinheit in dB/m angibt [3]: d = 20α log e ≈ 8, 69α [dB/m]
  • Die Koppelstelle spielt bei der Bestimmung der Dämpfung keine Rolle, da beide Amplituden diese durchlaufen und sich dadurch die Koppelstellendämpfung aufhebt.
  • Weitere Literatur
    • [1] Alf Püttmer. Ultrasonic Density Sensor for Liquids. Dissertation, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Shaker Verlag, Aachen, 1998.
    • [2] Niels Hoppe. Ultraschall-Dichtesensor -Entwurf, Charakterisierung und Signalverarbeitung. Dissertation, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Shaker Verlag, Aachen, 2003.
    • [3] Steffen Richter. Entwicklung von Modellen zur Abschätzung von Möglichkeiten der akustischen Teilchengrößenbestimmung in Mikroemulsionen. Diplomarbeit, Otto-vonGuericke-Universität, Magdeburg (Germany), 1999.
    • [4] Bernhard Fisher, Valentin Magori, and Alexander von Jena. Ultraschall (US)-Dichtemesser zum Messen der spezifischen Dichte eines Fluid. Pat. EP 0483491, 1995
    • [5] Alf Püttmer, Bernd Henning, Karsten Dierks, und Peter Hauptmann. Vorrichtung zur Messung und Bestimmung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien. Pat. DE 195 35 848, 1996

Claims (11)

  1. Verfahren zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte in Flüssigkeiten mittels mindestens eines von einem Ultraschallwandler ausgesandten Impulses, der durch zwei Vorlaufstrecken mit gleicher bekannter akustischer Impedanz geleitet wird und weiterhin auf ein Referenzmaterial mit gleicher bekannter akustischer Impedanz geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallimpuls über eine erste Vorlaufstrecke der zu vermessenden Flüssigkeit zugeführt und anschließend über eine zweite Vorlaufstrecke auf ein Referenzmaterial geführt wird, dass die Amplituden A1, A2, A3 der an den Berührungsstellen der ersten Vorlaufstrecke mit der zu vermessenden Flüssigkeit, der Flüssigkeit mit der zweiten Vorlaufstrecke und der zweiten Vorlaufstrecke mit dem Referenzmaterial reflektierten Teilsignale sowie die zugehörigen Laufzeiten t1, t2, t3 und die bekannte Signallaufstrecke s1 durch die zu vermessende Flüssigkeit zur Ermittelung der Ultraschallgeschwindigkeit sowie der akustischen Impedanz der zu vermessenden Flüssigkeit herangezogen werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gespeicherten Laufzeiten t1 und t2 und der bekannten Signallaufstrecke s1 die Ultraschallgeschwindigkeit c1 der zu vermessenden Flüssigkeit entsprechend der Beziehung
    Figure 00100001
    ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Impedanz Z2 der zu vermessenden Flüssigkeit entsprechend der Formel
    Figure 00110001
    ermittelt wird, wobei Z1 die akustische Impedanz der ersten Vorlaufstrecke k ein mit Hilfe einer bekannten Flüssigkeit bestimmter Korrekturfaktor und R3 der Reflexionskoeffizient zwischen dem Material der zweiten Vorlaufstrecke und dem Referenzmaterial sind.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der zu vermessenden Flüssigkeit gemäß der Formel
    Figure 00110002
    ermittelt wird.
  5. Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Impedanz und der Dichte von Flüssigkeiten mittels eines Ultraschallwandlers, zweier Vorlaufstrecken mit bekannter akustischer Impedanz und mittels eines Referenzmaterials mit bekannter akustischer Impedanz, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nur eine Wirkrichtung aufweisende Ultraschallwandler an eine erste Vorlaufstrecke angeschlossen ist, der die zu vermessende Flüssigkeit nachgeordnet ist, und dass sich dieser die zweite Vorlaufstrecke anschließt, der das Referenzmaterial nachgeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper vorgesehen ist, dessen Material die erste und zweite Vorlaufstrecke in Form von Vorlaufkörpern bildet, zwischen denen ein Hohlraum für die Aufnahme der zu vermessenden Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei die an den Hohlraum grenzenden Flächen des ersten und zweiten Vorlaufkörpers sowie deren Endflächen die dem Ultraschalwandler bzw. dem Referenzmaterial zugeordnet sind parallel verlaufen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus Kunststoff besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper aus PMMA vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzmaterial Luft vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecken unterschiedlich lang sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorlaufstrecke länger ist als die zweite Vorlaufstrecke.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2481831A (en) * 2010-07-08 2012-01-11 Bios Technologies Llp Ultrasonic material property measurement
CN107389803A (zh) * 2017-02-20 2017-11-24 大连理工大学 一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法
CN112955717A (zh) * 2018-11-05 2021-06-11 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 振动多传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0544064B1 (de) * 1991-09-30 1997-05-14 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur im wesentlichen dämpfungsunabhängigen Messung der Dichte von Flüssigkeiten mittels Ultraschall
GB2321106A (en) * 1997-01-09 1998-07-15 Snecma A non-destructive process for determining the ageing of a composite material
DE10108167C1 (de) * 2001-02-20 2002-08-08 Ufz Leipzighalle Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Dichte, der adiabatischen Kompressibilität und der Stabilitätsfrequenz in Gewässern
US6513385B1 (en) * 2001-05-08 2003-02-04 Halliburton Energy Services, Inc. Acoustic sensor for pipeline deposition characterization and monitoring

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0544064B1 (de) * 1991-09-30 1997-05-14 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur im wesentlichen dämpfungsunabhängigen Messung der Dichte von Flüssigkeiten mittels Ultraschall
GB2321106A (en) * 1997-01-09 1998-07-15 Snecma A non-destructive process for determining the ageing of a composite material
DE10108167C1 (de) * 2001-02-20 2002-08-08 Ufz Leipzighalle Gmbh Verfahren zur Bestimmung der Dichte, der adiabatischen Kompressibilität und der Stabilitätsfrequenz in Gewässern
US6513385B1 (en) * 2001-05-08 2003-02-04 Halliburton Energy Services, Inc. Acoustic sensor for pipeline deposition characterization and monitoring

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2481831A (en) * 2010-07-08 2012-01-11 Bios Technologies Llp Ultrasonic material property measurement
CN107389803A (zh) * 2017-02-20 2017-11-24 大连理工大学 一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法
CN107389803B (zh) * 2017-02-20 2020-04-14 大连理工大学 一种液体与固体延迟材料之间声反射系数的测量方法
CN112955717A (zh) * 2018-11-05 2021-06-11 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 振动多传感器

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