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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration
in einem fließfähigen Medium mit bekannten Mischungspartnern.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Messgerät
zur Konzentrationsermittlung in einem solchen Medium.
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In
beispielsweise der Chemieindustrie oder der Lebensmittelindustrie
angesiedelten Prozessen ist die kontinuierliche Aufnahme von prozessrelevanten
Daten von großem Interesse. Einer der dabei häufig
zu ermittelnden Parameter ist die Konzentration. Bekannte Messmethoden
zur Konzentrationsbestimmung erscheinen jedoch gerade in den oben
erwähnten Gebieten häufig nur bedingt geeignet.
So ist das Ziehen von Proben und deren anschließende Analyse
im Labor viel zu zeitaufwändig und auch nicht kontinuierlich
realisierbar. Bei Verwendung einer Massenmesseinrichtung nach dem
Koriolis-Prinzip kann zwar aus der Dichte auf die Konzentration geschlossen
werden, da diese Geräte aber metallische Leitungen benötigen
sind diese für die Konzentrationsbestimmung aggressiver
Medien oder in Anwendungen mit ho hen Reinheitsanforderungen (z.
B. keine Metal-Ionen im Medium) nicht geeignet.
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Es
besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und ein Messgerät
zur Verfügung zu stellen, mit denen mit geringem Aufwand
kontinuierlich und ständig verfügbar die Konzentration
eines fließfähigen Mediums mit bekannten Mischungspartnern
ermittelt werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein zumindest die folgenden Verfahrensschritte
gekennzeichnetes Verfahren:
- i. Durchführung
wenigstens einer Schalllaufzeitmessung mittels einer Ultraschall-Messanordnung,
bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils
wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als Sensor zur
Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung angeordnet
ist sowie Bestimmung der Temperatur des Mediums an wenigstens einem
Ort der Messstrecke durch eine Einrichtung zur Temperaturermittlung;
- ii. Auswertung des Einschwingsignals durch eine Signalverarbeitungseinrichtung
auf zwei unterschiedliche Arten:
- a. Bestimmung eines spätestmöglichen Nulldurchgangs
durch iterative Berechnung von aus der Höhe benachbarter
Amplituden des Empfangssignals gebildeter Regressionsgeraden;
- b. Berechnung eines mittleren Abstandes tatsächlich
gemessener Nulldurchgänge des Empfangssignals und Ermittlung
messtechnisch nicht erfassbarer Nulldurchgänge;
- iii. Bestimmung der Schalllaufzeit aus dem Treffpunkt Nulldurchgänge
der Verfahrenspunkte ii.a. und ii.b. und Ermittlung der Schallgeschwindigkeit hieraus;
- iv. Ermittlung der Konzentration durch Vergleich des bei gegebener
oder gemessener Temperatur ermittelten Schallgeschwindigkeitswerts
mit für das Gemisch in Werte-Tripeln abgelegten Werten für
Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Konzentration.
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Außerdem
wird die Aufgabe auch durch ein insbesondere in dem vorstehenden
Verfahren verwendbaren Messgerät gelöst, welches
als Ultraschall-Messanordnung vorgesehen ist, bei welcher in den
beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger
als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung
angeordnet ist und an der Ultraschall-Messanordnung eine Signalverarbeitungseinrichtung
angeordnet oder mit dieser verbunden ist, welche aus der Bestimmung
von Amplitudenhöhen und Nulldurchgängen eines
Empfangssignals der Sensoren eine Bestimmung der Konzentration von Mischungspartnern
des Mediums gestattet.
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Verfahren
und Messgerät zur Lösung der vorgenannten Aufgabe
gehen dabei davon aus, dass bei einem Medium mit bekannten Mischungspartnern und
gegebener Temperatur aus der Schallgeschwindigkeit des Mediums auf
die Konzentration desselben geschlossen werden kann. Auf diese Weise
kann also eine Ultraschall-Messanordnung, die einen Wert für
die Schallgeschwindigkeit in dem Medium ermittelt, zur Bestimmung
der Konzentration in dem Gemisch eingesetzt werden.
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Aus
dem Stand der Technik sind hierbei verschiedene Verfahren und Messgeräte
zur Schalllaufzeitbestimmung bekannt. So sind etwa Durchflussmessgeräte
bekannt, die mit Ultraschall arbeiten und aus Laufzeitdifferenzen
einen Volumenfluss bestimmen. Aus der
EP
0 452 531 ist ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der
Laufzeit bekannt, welches jedoch ein über längere Zeit
mit konstanter Steigung anschwellendes Empfangssignal benötigt.
Demgegenüber offenbart die
EP
0 233 047 eine allgemeine Anordnung für die Schallgeschwindigkeitsmessung, ohne
dass dort jedoch auf messtechnische Details eingegangen würde.
Aus der
DE 10 2005 051 669 ist bekannt,
dass man das Empfangssignal stark Übersteuern kann, um
dadurch die Triggerung auf eine bestimmte Welle zu erleichtern.
Dies ist ausreichend, um bei einem nach dem Phasenmessverfahren
arbeitenden Durchflussmessgerät eine ungefähre Schallgeschwindigkeit
des Mediums zu bestimmen, bei starken Temperaturschwankungen und
Verwendung von auch für aggressive Medien geeigneten Materialien
wie Kunststoffen kann es zu Störungen der Schalllaufzeitmessung
kommen, weswegen in diesem Fall die Genauigkeit für eine
Konzentrationsmessung nicht mehr ausreicht. Schließlich
sind in der
DE 38 25 131 und
der
DE 40 23 977 Verfahren
beschrieben, bei welchen eine Konzentrationsmessung durch Signaldämpfung
realisiert ist.
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Gegenüber
den bekannten Verfahren zur Schalllaufzeitbestimmung wird bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren folgendermaßen
vorgegangen: Das Medium wird durch eine Messstrecke geführt,
an welcher in deren Endbereichen Ultraschall-Sendeempfängereinrichtungen
angeordnet sind und die Messstrecke wird durchschallt, wodurch an
wenigstens einer der Ultraschall-Sendeempfängereinrichtungen
ein Empfangssignal aufgenommen wird, welches zur Auswertung herangezogen
werden kann. Die Schalllaufzeitmessung erfolgt durch Ausmessen der
einzelnen Amplitudenspitzen des Einschwingvorgangs. Dabei werden
der Zeitpunkt und die Höhe der Amplitudenspitzen des anschwellenden
Empfangssignals festgehalten. Wenn eine Amplitudenspitze erkannt
wird, wird ein Schwellwertschalter für den Nulldurchgang
freigegeben, mit dem der Zeitpunkt des nachfolgenden Nulldurchgangs
des Empfangssignals festgehalten werden kann. Dieser Vorgang wird jedoch
nur ab einer bestimmten Mindest signalstärke durchgeführt,
um Störungen durch das Rauschen zu vermeiden. Zu beachten
ist hierbei, dass etwa die ersten Amplituden des Signals noch so
schwach sein können, dass sie sehr nahe am Rauschen liegen
und dadurch nicht erkannt werden.
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Die
Ausmessung der Amplitudenspitzen erfolgt dadurch, dass man einen
Schwellwertschalter mit variabler Schwelle verwendet. Diese Schwelle lässt
man bei dem Amplitudenmaximalwert beginnen und fährt sie
herunter. Die höchste Amplitudenspitze ist dann erreicht,
wenn innerhalb eines zeitlichen Erwartungsfensters für
das Empfangssignal ein hierfür bestimmter Trigger zum ersten
Mal anspricht. Die weiteren Amplitudenspitzen geringerer Höhe
werden dadurch erkannt, dass das Triggersignal innerhalb eines zweiten,
deutlich kleineren, zeitlichen Fensters vor der zuvor gemessenen
Amplitudenspitze kommt. Länge und Position dieses zeitlichen
Fensters ist abhängig von der Ultraschallfrequenz. Um Zeit
zu sparen kann die Starttriggerschwelle auch anhand der höchsten
Pulsamplituden der vorherigen Messung bestimmt werden.
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Nach
dem Ausmessen aller Amplitudenspitzen und Nulldurchgänge
des einschwingenden Wellenzugs wird aus je zwei benachbarten Amplitudenspitzen
eine Gerade berechnet und deren Nulldurchgang bestimmt. Dies geschieht
für alle Amplitudenspitzen. Hierdurch wird der späteste
Nulldurchgang aus den berechneten Geraden bestimmt. Dieser Wert
kann aber immer noch leichte Schwankungen aufweisen, da durch Rauschen
und Auflösung der Rechnung kein stabiler Wert zustande
kommt.
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Aus
den Nulldurchgängen des Empfangssignals wird ein mittlerer
Abstand errechnet. Weitere Nulldurchgänge, die vor dem
ersten erfassten Nulldurchgang liegen, können mit diesem
Mittelwert der Abstände bestimmt werden. Diese Zeitpunkte
der berechneten, sozusagen „virtuellen” Nulldurchgänge sind
zwar stabil, benötigt wird hier jedoch eine Entscheidungshilfe,
welcher Nulldurchgang tatsächlich den Beginn des Empfangssignals
darstellt. Diese Entscheidungshilfe liefert der aus den Geraden
der Amplitudenspitzen bestimmte Nulldurchgang. Der tatsächliche
Nulldurchgang und damit die Schallaufzeit ergibt sich also aus dem
Treffpunkt der Nulldurchgangsberechnungen, woraus sich die Schallgeschwindigkeit
in dem Medium berechnen lässt.
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Bei
gegebener, stabiler oder aber im Rahmen der Messung ebenfalls bestimmter
Temperatur im Bereich der Messstrecke kann mittels der Schallgeschwindigkeit
des Mediums auf die Konzentration der beteiligten Mischungspartner
geschlossen werden. Hierzu wir der ermittelte Wert der Schallgeschwindigkeit
mit für das Gemisch abgelegte Werte-Tripeln aus Temperatur,
Schallgeschwindigkeit und Konzentration verglichen.
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Um
durch die Strömung verursachte Messfehler zu eliminieren
kann es bei einer Variante des Verfahrens vorgesehen sein, dass
bei der Schalllaufzeitmessung die Messstrecke in beide Richtungen durchschallt
wird.
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Bei
einer weiteren, zweckmäßigen Variante des Verfahrens
wird der Verfahrenspunkt ii., die Auswertung der Nulldurchgänge,
gegebenenfalls für beide Flussrichtungen, sowohl für
die positive als auch für die negative Halbwelle des Empfangssignals durchgeführt.
Dabei muss selbstverständlich beachtet werden, dass die
Nulldurchgänge der negativen Halbwelle um eine halbe Welle
verschoben sind. Die Messung der negativen Halbwelle kann auch dadurch
geschehen, dass man das Sendesignal invertiert.
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Durch
die eben dargestellten vier Messungen können die Unre gelmäßigkeiten
im Empfangssignal für die Bestimmung der Schalllaufzeit
herausgerechnet werden. Um die Messung der Pulshöhen reproduzierbar
zu machen, muss die variable Triggerschwelle stabil stehen. Das
erreicht man dadurch, dass man am Erzeugerausgang des Schwellwertschalters
ein starkes Filter anordnet. Mit den skizzierten Verfahrenspunkten
können also durch ein geschicktes Umschalten der Senderichtung
und der Phasenlage des Sendesignals alle vier Messungen parallel
ablaufen.
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Aus
den vier Messwerten wird dann der Mittelwert gebildet, wobei auch „Ausreißer” entdeckt werden
können und bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
unberücksichtigt bleiben.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann der ermittelte
Schallgeschwindigkeitswert für die Kompensation der Durchflussmessung
nach dem Phasenmessprinzip verwendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen des insbesondere zur Durchführung
des obigen Verfahrens geeigneten Messgeräts, bei welchem
bevorzugt zumindest dessen mediumsberührte Teile aus einem Kunststoff,
vorzugsweise einem hochbeständigen Kunststoff, insbesondere
beispielsweise aus Polyethylen, Polytetrafluorethylen oder Perfluoralkoxy
oder dergleichen Polyolefinen, gebildet sind, ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Das
Verfahren mit seiner Bestimmung der Schallaufzeit wird anhand einer
Zeichnungsfigur noch näher erläutert. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird eine oder werden
mehrere Schallaufzeitmessungen mittels einer Ultraschall-Messanordnung
an einer Messstrecke durchgeführt, bei welcher in den beiden
Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als
Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung
angeordnet ist sowie die Temperatur des Mediums an wenigstens einem
Ort der Messstrecke durch eine Einrichtung zur Temperaturermittlung
bestimmt. Mit den durch die Sensoren erfassten Empfangssignalen
findet die folgende Auswertung statt: Die höchste Amplitudenspitze
AS1 wird gesucht, deren Zeitpunkt und Höhe werden festgehalten
und ein Nulldurchgangschalter freigegeben. Der Zeitpunkt des der
Amplitudenspitze AS1 nachfolgenden Nulldurchgangs tND1 des
Empfangssignals wird bestimmt. Weitere Amplitudenspitzen AS2, AS3, ...
und Nulldurchgänge tND2, tND3, ... des Einschwingvorgangs werden gesucht
und wieder, wie vorher, Zeitpunkte, Höhen und Nulldurchgänge
bestimmt. Für je zwei benachbarte Amplitudenspitzen, bspw.
in der 1 für die Amplitudenspitzen AS2 und AS3, wird
jeweils eine Gerade, in der 1 die Gerade
g2, berechnet und deren Nulldurchgang, hier tg2,
bestimmt. Der mit dieser Methode dem Beginn des Empfangssignals
am nächsten liegende Nulldurchgang wird dann gespeichert.
Aus den Nulldurchgängen tND1, tND2, tND3 ... des
Empfangssignals wird zuerst ein mittlerer Abstand und anschließend
werden sogenannte „virtuelle” Nulldurchgänge
des Empfangssignals vor dem ersten gemessenen Nulldurchgang berechnet.
Aus dem mittels der Geraden berechneten, gespeicherten Nulldurchgang
und den „virtuellen” Nulldurchgängen
wird anschließend eindeutig und stabil der Zeitpunkt des
Beginns des Empfangssignals bestimmt.
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Diese
Bestimmung des Beginns des Empfangssignals wird für beide
Durchschallungsrichtungen erfasste Empfangssignale für
die positive und die negative Halbwelle durchgeführt, wonach
sich nach einer Untersuchung der Einzelwerte auf zu große
Abweichungen aus den Einzelwerten die Schallgeschwindigkeit bestimmen
lässt. Die Bestimmung der hier vier Werte des Beginns des
Empfangssignals kann parallel ablaufen und liefert einen Schallgeschwindigkeitswert,
der eine Konzentrationsbe stimmung des Mediums gestattet.
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Demnach
betrifft die vorstehende Erfindung also ein Verfahren und ein Messgerät
zur Bestimmung der Konzentration in einem fließfähigen
Medium mit bekannten Mischungspartnern, bei welchem über
die Schallgeschwindigkeit des transportierten Mediums die Konzentration
der Mischungspartner ermittelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0452531 [0007]
- - EP 0233047 [0007]
- - DE 102005051669 [0007]
- - DE 3825131 [0007]
- - DE 4023977 [0007]