DE102008037162A1

DE102008037162A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102008037162A1
Application number: DE102008037162A
Authority: DE
Inventors: Frank-Michael Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes oder Schlammgehaltes von Flüssigkeiten in Behältern und Rohrleitungen. Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Echoburst bewertet wird. Zwischen Ultraschallwandler und Bewertungseinheit ist eine S&H-Einheit geschaltet. Die Burstlänge gestattet eine Bewertung mit A/D-Wandler oder U/F-Wandler. Das Verfahren ist unabhängig von Schallgeschwindigkeitsänderungen. Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden zur Abwasserbehandlung und Überwachung allgemein benötigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen dazu sind bekannt und werden beispielsweise zur Messung des Schlammgehaltes in Abwasserbehandlungsanlagen angewandt.
Neben den bekannten optischen Messverfahren zur Trübungsmessung gibt es Messverfahren mit Ultraschallwellen. Diese haben den Vorteil, dass sie unabhängig von Farbstoffen in der Flüssigkeit sind.
Die bekannten Messverfahren mit Ultraschallwellen nutzen beispielsweise die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Konzentration eines gelösten Stoffes in der Flüssigkeit oder sie messen die Abhängigkeit der Dämpfung von Ultraschallwellen beim Durchgang durch die Flüssigkeit.
So wird in der DE 2455749 die Messaufgabe dadurch gelöst, das durch die Ansteuerung des Ultraschallwandlers (Geber) mit elektrischen Einzelimpulsen bei einer niedrigen Impulsfolgefrequenz ein zweiter Ultraschallwandler (Empfänger) die durch die Flüssigkeit gedämpften Signale empfängt. Um ein der Feststoffkonzentration proportionales analoges Signal in Form einer hochfrequenten Wechselspannung zu erhalten, muss das vom Empfänger empfangene Signal nach der Verstärkung gleichgerichtet und integriert werden. Diese Anordnung zur Messung der Feststoffkonzentration besteht zwingend aus zwei Ultraschallwandlern.
Nach der DE 69607175 wird die Feststoffkonzentration über die Ermittlung des Nachschwingens eines Rohrsegmentes erreicht. Dieses Nachschwingen des Rohres wird mit zwei Wandlern erreicht. Dabei wird die Signatur des Nachschwingens bei unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen verglichen.
In der DE 19944047 C2 wird eine Feststoffkonzentrationsmessung nach dem Doppler-Prinzip vorgeschlagen. Die dort vorgeschlagene Messung soll mit wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger mit jeweils mindestens zwei Frequenzen erfolgen, wobei Sender und Empfänger im Winkel zueinander angeordnet sind. Der Doppler-Effekt tritt nur bei Flüssigkeiten auf, in welchen die Partikel durch die Rohre strömen.
Dieses vorgeschlagene Messverfahren soll die Konzentration durch die Absorption oder durch die Änderung der Schallgeschwindigkeit, aber vorzugsweise durch die Anwendung beider Messverfahren mit unterschiedlichen Frequenzen und dann durch die Korrelation von beiden Messwerten bestimmt werden.
Der aparative Aufwand und die Auswertung der Messergebnisse ist bei diesem Verfahren beträchtlich. Weiterhin ist eine Strömung der zu messenden Flüssigkeit notwendig. Die Anwendung dieses Verfahren in Absetzbehältern oder Sedimentationsbecken ist daher nicht möglich.
In der Druckschrift DE 19935680 A1 wird die Dämpfung einer Ultraschallwelle zwischen zwei Ultraschallwandlern gemessen. Die Messung erfolgt dabei mit unterschiedlichen Frequenzen zwischen 100 kHz und 400 kHz und in verschiedenen Schallpfaden.
Der zur Messung notwendige hohe Aufwand ist ebenso hoch wie bei der vorher beschriebenen Druckschrift.
Die DE 19653001 C1 beschreibt eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge einer Flüssigkeit und der Konzentration nach dem Doppler-Prinzip durch Messung der Schwächung der Amplitude des Ultraschallsignals. In dieser Vorrichtung sind wenigstens ein Sendeschallwandler und zwei weitere Empfangsschallwandler vorgesehen.
In der Schrift EP 1816107 A1 wird eine Abwasser-Sedimentationsanlage beschrieben, die eine Ultraschall-Schlammspiegelsonde mit einem Ultraschallgeber aufweist, der nach unten senkrecht abstrahlt und von unten senkrecht empfängt. Mit dieser Anordnung ist die Feststoffkonzentration der durchschallten Flüssigkeit nicht messbar.
Weiterhin sind auch noch Schlammdichtemessverfahren bekannt, die nach dem CW-Verfahren arbeiten. Eine Messstrecke mit einem Ultraschallgeber und einem Ultraschallempfänger überträgt ein kontinuierliches Ultraschallsignal. Diese Messstrecke arbeitet in einem Rückkoppelzweig. Bei einer bestimmten Dämpfung durch Feststoffe in der Flüssigkeit wird die Rückkopplung unterbrochen.
Bei den bisher bekannten Verfahren zur Feststoffgehaltsmessung bzw. Schlammdichtemessung sind wenigstens zwei Ultraschallgeber notwendig.
Bei alle ist daher ein erhöhter Aufwand an Ultraschallgebern und eine spezielle Messtrecke notwendig. Einige Verfahren erfordern zudem noch strömende Flüssigkeiten.
In der Patentschrift DE 10 2008 006 144 A1 werden die vorstehenden Mängel vermieden, und es wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorgeschlagen, welches eine kontinuierliche Feststoffgehaltsmessung in Behältern und Rohren gestattet.
Nacheilig ist die genaue Ermittlung der Steuerzeit für die S&H-Stufe. Bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit muss die Steuerzeit immer genau angepasst werden um die Amplitude auf Hold zu Schalten.
Die Erfindung soll die Amplitudenmessung des Echos von der Temperaturabhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit unabhängig machen. Weiterhin soll in einer Weiterentwicklung des Verfahrens die Signalaufbereitung vereinfacht werden. So muss zum Beispiel zur Erzielung einer möglichst guten Ausnutzung des A/D-Wandlers, mit Gain programmierbaren Vorverstärkern gearbeitet werden, um die unterschiedlichen Dämpfungen bei verschiedenen Rohrdurchmessern oder Reflexionseigenschaften der Reflektoren auszugleichen.
Das Verfahren zur Feststoffgehaltsmessung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, das daß Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Das Senden eines Bursts aus Ultraschallimpulsen von einem Ultraschallwandler durch die Flüssigkeit und Messen der Dämpfung des empfangenen Bursts aus Echoimpulsen mit dem gleichen Ultraschallwandler, d. h. der Ultraschallwandler wird als Sendewandler und Empfangswandler genutzt, in der Art, das zum Zeitpunkt des Maximums während des Bursts mit einer gesteuerten Sample&Hold-Schaltung (auch S&H-Einheit genannt) die Amplitude mindestens so lange gehalten wird, das die notwendige Aquisitionszeit des Analog-Digitalwandlers erreicht wird.
Die Burstlänge und die Umschaltzeit von Sample auf Hold wird dabei so gewählt, das der Schaltpunkt von Sample zu Hold bei der angenommenen mittleren Schallgeschwindigkeit, in der Mitte des empfangenen Bursts des Echos liegt. Dabei wird die Burstlänge größer als die maximale Änderung der Laufzeit des Echos eingestellt.
Zur Durchführung des Verfahrens kann die Steuerung der S&H-Einheit unterschiedlich erfolgen.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung betrifft die Vereinfachung der Signalaufbereitung. Die Amplitude des empfangenem Burst wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler zugeführt. Diese Wandler können mit sehr hoher Linearität Spannungen in Frequenzen wandeln. Damit können auch kleine Spannungsänderungen gut ausgewertet werden. Werden dagegen A/D-Wandler eingesetzt ist die Auflösung entsprechend der Quantifizierung. Um die Auflösung der A/D-Wandler auszunutzen sind gainprogrammierbare Verstärker notwendig. Verwendet man Spannung-Frequenz-Umsetzer ergeben kleine Spannungsdifferenzen einen kleinen Frequenzhub. Dieser kann bei entsprechend guter Linearität der Umsetzung sehr gut ausgewertet werden.
Die Auswertung erfolgt in bekannter Weise derart, das Messbereichsanfang und Messbereichsende in einer nachfolgenden Auswerteeinheit festgesetzt werden. Die unterschiedlichen Messbereiche ergeben sich durch die unterschiedlichen Längen der Messstrecken bzw. der unterschiedlichen Rohrdurchmesser. Auch das Reflexionsverhalten der Reflektoren bzw. der Rohrwände beeinflussen die Messdynamik.
In einer weiteren Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit bekannten Messumformern für PFM- oder PWM-Signale betrieben werden. Vorteilhaft wird dabei das zyklische Messsignal, welches im Takt des Sendeburst (auch Messtakt genannt) vorliegt, so umgeformt, das es als kontinuierliches Signal ausgegeben werden kann. Das ist zum Beispiel mit Hilfe einer PLL-Regelschleife in bekannter Weise leicht möglich.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
1: Schematischer Messverlauf
2: Prinzip der Messanordnung
1 zeigt den allgemeinen Messverlauf der Feststoffgehaltsmessung. Der gesendete Burst (auch Sendeburst) 1 wird von einem Ultraschallwandler in die Flüssigkeit eingeschallt.
Ein Reflektor, das kann zum Beispiel die gegenüberliegende Rohrwand sein, reflektiert den Schall und der empfangene Burst (auch Empfangsburst) 2 vom selben Ultraschallwandler wird von weiteren Schaltungsteilen verarbeitet. So wird zu einem Zeitpunkt 6 die Amplitude des Empfangsburst 2 gemessen. Die Zeitspanne 3 zwischen Beginn des Aussendens und Umschaltens der S&H-Einheit auf Hold, soll bei der mittleren im Betrieb zu erwartenden Schallgeschwindigkeit etwa in der Mitte des Empfangsbursts 2 liegen.
Ändert sich während der Messung die Schallgeschwindigkeit soll der Schaltpunkt 6 innerhalb der Umschaltzeit 3 liegen. Mit einer bestimmten Burstlänge 4A wird gewährleistet, das die Burstlänge 4B des Echos größer ist, als die maximal mögliche Änderung der Umschaltzeit 3 innerhalb des geforderten Anwendungsbereiches. Dieser Anwendungsbereich wird durch die maximal zu erwartende Laufzeitveränderung des Ultraschallsignals bestimmt.
Um einen Anwendungsbereich für mehrere Reflektorabstände, auch unterschiedliche Rohrdurchmesser, auszudehnen, kann die Länge des Sendebursts 4A maximal ausgedehnt werden. Das Nachschwingen des Ultraschallwandlers begrenzt dabei die maximal mögliche Länge.
Eine andere Ausführung der Feststoffgehaltsmessung kombiniert die Steuerung der S&H-Einheit mit einer Echoerkennung. Eine Triggerung des Empfangssignals, welches mögliche Fehlmessungen verhindert, schaltet die S&H-Einheit von Sample auf Hold. Der Beginn von Sample wird so festgelegt das der Zeitpunkt des Sendens sicher überdeckt wird. Im Mikroprozessor, der den Programmablauf der Feststoffgehaltsmessung steuert ist je nach Durchmesser des Behälters oder der Rohrleitung, ein zulässiger Bereich für die Umschaltung abgespeichert. Der Zulässige Bereich ergibt sich aus der zu erwartenden minimalen und maximalen möglichen Laufzeit bei einer Temperaturänderung der Flüssigkeit.
Die Umschaltgeschwindigkeit der S&H-Einheit muss dabei nur so groß wie nötig bemessen sein, um sicher in der Umschaltzeit 3 zu von Sample auf Hold zu erfolgen. Der Aufbau kann damit mit Bauteilen ohne sehr hohe Anforderungen an Schaltgeschwindigkeiten, also mit kostengünstigen Bauteilen erfolgen.
Die Messung der Temperatur der Flüssigkeit ist bei dieser Ausführung der Feststoffgehaltsmessung nicht notwendig.
2 zeigt das Prinzip einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Feststoffgehaltsmessung. Ein Mikroprozessor 17 ist mit einem Ultraschallsender 16 verbunden. Der Ultraschallwandler 11, der sowohl als Sendewandler als auch als Empfangswandler fungiert ist mit einem Empfangsverstärker 12 verbunden. Der Mikroprozessor 17 steuert die S&H-Einheit 13. Die gesampelte Amplitude des Echobursts wird vom Spannungs-Frequenz-Wandler 14 an die PLL-Regelschleife 15 übergeben. Aus der frequenzcodierten Impulshöhe des Echoburst, die im Takt des Sendetaktes des Sendebursts vorliegt, wird in einer PLL-Regelschleife 15 ein kontinuierliches Frequenzsignal erzeugt.
In hier nicht dargestellter Weise kann die Frequenz aus dem Spannungs-Frequenz-Wandler 14 auch herunter geteilt werden.
Die PLL-Regelschleife 15 kann in bekannter Weise die kontinuierliche Frequenz 1:1 oder in einem anderen beliebigen Teilerverhältnis generieren.
Nicht näher beschrieben sind weitere Signalbehandlungseinheiten zum Beispiel zur PFM- oder PWM-Kodierung.
Die Bestandteile der Anordnung können mehr oder weniger integriert sein.
Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens kann sowohl als Kompaktsensor, zum Beispiel mit Schaltausgang und/oder Analogausgang oder auch mit beliebigen Bus-Ausgang, als auch in getrennter Version mit Messumformer zur weiteren Signalbearbeitung erfolgen.
Die Durchführung des Verfahrens zur Feststoffgehaltsmessung nach den unterschiedlichen Ausführungsvarianten ist nicht an das hier gezeigte Beispiel der Anordnung gebunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2455749 [0005]
- DE 69607175 [0006]
- DE 19944047 C2 [0007]
- DE 19935680 A1 [0010]
- DE 19653001 C1 [0012]
- EP 1816107 A1 [0013]
- DE 102008006144 A1 [0017]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit, durch Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter oder Rohrleitung mit einem Ultraschallwandler, wobei – der Ultraschallwandler einen Burst aus Ultraschallimpulsen erzeugt, – der Burst aus Ultraschallimpulsen eine vorgegebene Amplitude besitzt, – die Länge des gesendeten Bursts aus Ultraschallimpulsen größer als die unter Betriebsbedingungen möglichen auftretenden Laufzeitänderungen des empfangenem Bursts ist, – der empfangene Burst des Echos während der Sendpausen mit einem ADC bewertet wird, – dem bewerteten Echosignal nach einem Algorithmus einen Feststoffgehalt zugeordnet wird, – der echoerzeugende Reflektor aus der Behälter- oder Rohrwand oder aus einem zusätzlichen Teil bestehen kann.
Verfahren zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit, durch Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter oder Rohrleitung mit einem Ultraschallwandler, wobei – der Ultraschallwandler einen Burst aus Ultraschallimpulsen erzeugt, – der Burst aus Ultraschallimpulsen eine vorgegebene Amplitude besitzt, – die Amplitude des empfangenen Bursts während der Sendepausen mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler gewandelt und als PFM- oder PWM-Signal vorliegt, – dieses PFM- oder PWM-Signal nach einem Algorithmus einen Feststoffgehalt zugeordnet wird.
Verfahren nach Schutzanspruch 1 und/oder 2, wobei – die Amplitude des empfangenen Bursts mit Hilfe eines Steuerimpulses und einer vorgeschalteten S&H-Einheit über eine bestimmte Zeit gehalten wird, – das die nach dem Spannungs-Frequenz-Wandler vorliegende Frequenz zur Synchronisation einer Schaltungseinheit zur Generierung einer kontinuierlichen Frequenz, als Maßeinheit des Feststoffgehaltes, während der Messung vorliegt, – in der Sendezeit des Bursts und/oder Sample-Zeit der S&H-Einheit, ein dem Feststoffgehalt der vorhergehenden Messung entsprechendes proportionales Signal ausgegeben wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Ultraschallwandler und alle nachfolgenden signalbehandelnden Einheiten, einschließlich des Spannungs-Frequenz-Wandler und der PWM- oder PFM-Einheit, eine Baueinheit bilden, – diese über eine Verbindungsleitung mit einer Auswerteeinheit (auch Messumformer genannt) verbunden ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Schutzansprüche 1 bis 3, wobei – der Ultraschallwandler und alle verfahrensnotwendigen Einheiten eine kompakte Baueinheit bilden.