DE102010031128A1

DE102010031128A1 - Ultraschall-Partikelmesssystem

Info

Publication number: DE102010031128A1
Application number: DE102010031128A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Drahm; Thomas Fröhlich; Beat Kissling; Yaoying Lin
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012004113A1

Abstract

Ultraschall-Partikelmesssystem (1) mit einem Ultraschallwandler (2), welcher zumindest ein Ultraschallwandlerelement (4) aufweist, und einem Messumformer, wobei vom Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale aussendbar und empfangbar sind, wobei der Messumformer umfasst:
• eine Sendestufe zur Anregung des Ultraschallwandlers zum Aussenden eines vorgegebenen Ultraschallsignals,
• eine Empfangsstufe zur Detektion von elektrischen Signalen vom Ultraschallwandler, erzeugt aus empfangenen Ultraschallsignalen,
• ein Filter zur Filterung der elektrischen Signale,
• ein Verstärker zum Verstärken der elektrischen Signale,
• ein Offset-Schaltung um einen Offset in den elektrischen Signalen zu eliminieren,
• einen Quadrierer zum Quadrieren der elektrischen Signale,
• einen Vergleicher zum Vergleichen der elektrischen Signale mit einem vorgegebenen Schwellwert,
• einen Zähler zum Zählen der elektrischen Signale, welche in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, eine Amplitude aufweisen, welche über dem vorgegebenen Schwellwert liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Partikelmesssystem, mit einem Ultraschallwandler, der zumindest ein Ultraschallwandlerelement und zumindest ein Koppelelement aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher Ultraschallwandler in einem Messrohr angeordnet ist.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z. B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
Nun sind auch Verfahren und Messgeräte zu Ermittlung von Konzentration und/oder Größe von Partikeln in einem Fluid als Messmedium bekannt geworden, welche auf einem Ultraschall-Messprinzip beruhen. Die US 6,481,268 zeigt eben ein solches Messgerät mit zumindest einem Ultraschallwandler. Das vom Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallsignal wird von Partikeln im Messmedium zu dem Wandler reflektiert und dort als Echo registriert. Eine Ausgestaltung zeigt zwei sich gegenüberstehende Ultraschallwandler an einem Messrohr, welche die Ultraschallsignale im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse senden und/oder empfangen. Eine weitere Ausgestaltung zeigt einen einzelnen Ultraschallwandler mit einem Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist, um das Ultraschallsignal im Messrohr zu fokussieren. Eine Messung des Durchflusses ist in diesem Dokument nicht vorgesehen.
In einer weiteren Patentschrift des Stands der Technik, der US 5,251,490 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät gezeigt, welches den Durchfluss durch ein Messrohr mit dem Doppler-Messprinzip ermittelt. Ultraschallsignale werden in Form von Wellen ausgesandt, von einer akustischen Linse fokussiert und an Partikeln im Messmedium reflektiert. Die Reflektionen sind am größten im direkten Umfeld des Fokus'. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und reflektierten Wellen wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt.
Die US 5,533,408 offenbart ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer Kombination aus Laufzeitdifferenz-Prinzip und Doppler-Prinzip. Dazu sind jedoch jeweils dafür ausgestaltete Sensoren bereitgestellt. Zwischen den Sensoren der beiden Messprinzipien wird bei über- bzw. unterschreiten eines vorgegebenen Messwerts umgeschaltet.
In der WO 03/102512 A1 wir ein Verfahren vorgeschlagen zur Laufzeitdifferenzmessung eines strömenden Fluids, wobei zusätzlich die Reflexionen des Ultraschallsignals an Partikeln im Fluid ermittelt werden, um daraus die Konzentration der Partikel zu ermitteln. Dazu werden zwei Ultraschallwandler in der üblichen Anordnung für eine Laufzeitdifferenzmessung vorgeschlagen, wobei zumindest einer dieser Ultraschallwandler so schnell von einem Sendezustand zu einem Empfangszustand umschaltbar ist, dass er die Reflexionen seines ausgesandten Signals an den Partikeln im Fluid empfangen kann oder es sind zusätzliche Ultraschallwandler vorgesehen, welche so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen empfangen können. Zur Ermittlung der Konzentration und der Größe der Partikel im Messmedium wird vorgeschlagen, die Doppler-Verschiebung der sich bewegenden Partikel auszuwerten. Eine Messung in stehendem Messmedium ist somit nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ultraschall-Partikelmesssystem bereit zu stellen, mit welchem die Partikelanzahl pro Zeiteinheit und/oder die Partikelgröße, ab einer vorgegebenen Größenordnung, von Partikeln in einem Messmedium ermittelbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1, des Anspruchs 7 und des Anspruchs 9. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungen finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wider.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem,
2 zeigt einen Ultraschallwandler eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Partikelmesssystems,
3 zeigt ein Blockschaltbild des Verfahrens zur Partikelmessung.
In 1 ist erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem 1 schematisch dargestellt. Ein Ultraschallwandler 2, welcher über ein Koppelelement akustische Signale aussendet und/oder empfängt, ist unter einem Winkel von ca. 90° zur Messrohrachse in einem Messrohr 8 befestigt. Es handelt sich hierbei um ein so genanntes Inline-Messsystem. Die Mittelachse durch den Ultraschallwandler 2 soll hier modellhaft einen Signalpfad kennzeichnen, entlang welchem sich Ultraschallsignale ausbreiten.
Der Ultraschallwandler 2 weist eine akustische Linse 10 auf. Durch diese werden Ultraschallsignale im Messrohr 8 fokussiert. Der Brennpunkt der akustischen Linse 10 des Ultraschallwandlers 2 liegt in dem Volumen zur Partikelmessung 11. Dieses Volumen 11 ergibt sich aus der Fokussierung der Linse. Es ist hier rotationssymmetrisch um den Signalpfad 9 und im dargestellten Querschnitt im Wesentlichen elliptisch gezeichnet. In diesem Volumen werden Partikel durch Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln registriert.
Eine bestimmungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Partikelmesssystems ist z. B. in einem Rohrleitungssystem stromabwärts eines Filters, also in Strömungsrichtung des Messmediums durch das Rohrleitungssystem nach dem Filter, z. B. zur Funktionsüberwachung des Filters.
2 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 2. Dieser weist ein Ultraschallwandlerelement 4 auf, z. B. eine Hochfrequenz-Piezokeramik. Alternativ ist auch eine PVDF-Scheibe als Ultraschallwandlerelement verwendbar. Dieses Ultraschallwandlerelement 4 kann sowohl elektrische Signale, insbesondere aus elektrische Spannungssignale, in mechanische Schwingungen und damit in akustische Signale wandeln, als auch akustische Signale in elektrische. Es fungiert somit als Sensor und als Aktor. Das Ultraschallwandlerelement 4 sendet und empfängt akustische Signale über ein Koppelelement, welches als akustische Linse 10 ausgestaltet ist. Das Koppelelement bzw. die akustische Linse 10 weist mehrere Oberflächen auf, eine erste Kontaktfläche 6, welche im Betrieb das Messmedium im Messrohr berührt und eine zweite Kontaktfläche 7, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 steht. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist beispielsweise direkt auf die zweite Kontaktfläche 7 der akustischen Linse 10 geklebt, ohne eine weitere Anpassungsschicht dazwischen. Dies soll hier jedoch nicht ausgeschlossen werden.
Das Ultraschallwandlerelement 4 ist über zwei Kabel 13 und einen Steckanschluss 14 mit einem nichtdargestellten Messumformer verbunden. In dem Anschlussraum 12 im Ultraschallwandler 2 hinter dem Ultraschallwandlerelement 4 kann ein so genanntes Backing vorgesehen sein, ein Schwingungsdämpfer, welcher direkt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 verbunden ist. Der Anschlussraum 12 wird in diesem Beispiel durch das Gehäuse 3 um das Ultraschallwandlerelement 4 begrenzt.
Die Linse 10 ist hier als plankonkave Linse, mit einer ersten Kontaktfläche 6, welche einen vorgegebenen Krümmungsradius, hier z. B. 14 mm aufweist, und einer ebenen zweiten Kontaktfläche 7 ausgestaltet. Gleichermaßen könnte die Linse 10 als Fresnel-Linse ausgestaltet sein, mit einer, eine Kontur aufweisende, also einer konturierten ersten Kontaktfläche 6, welche einen gleichartig akustisch wirksamen Krümmungsradius aufweist. Eine Fresnel-Linse ist in mehrere Segmente bzw. Abschnitte unterteilt, welche zusammen diese Kontur mit dem akustisch wirksamen Krümmungsradius bilden.
Die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten der Linsen sind über die Brechzahlen miteinander verknüpft, wobei diese von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement abhängen. Die Stufenhöhe einer Fresnel-Linse ist beispielsweise gegeben durch n·λ/2, mit λ der Wellenlänge des akustischen Signals im Koppelelement und n einer natürlichen Zahl.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Partikeln in einem Messmedium weist folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Anregen eines Ultraschallwandlers zum Aussenden vorgegebener Ultraschallsignale, z. B. Burst-Signale, in das Messmedium, z. B. mittels elektrischer Signale, z. B. Spannungsimpulsen,
– Empfangen von Ultraschallsignalen mit einem Ultraschallwandler und wandeln der Ultraschallsignale in elektrische Signale,
– Filtern der elektrischen Signale, z. B. mit einem Bandpass,
– Verstärken der elektrischen Signale,
– Eliminieren eines Offests in den elektrischen Signalen,
– Potenzieren der elektrischen Signale mit einem Exponenten größer oder gleich zwei,
– Zählen und Ausgeben der Anzahl der elektrischen Signale, welche in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall nach dem Anregen des Ultraschallwandlers eine Amplitude aufweisen, welche über einem vorgegebenen Schwellwert liegen. Dazu werden die Amplituden der elektrischen Signale mit dem vorgegebenen Schwellwert verglichen.

Die ausgesandten Ultraschallsignale werden von den Partikeln im Messmedium zurück zum Ultraschallwandler reflektiert, wo sie wiederum zu elektrischen Signalen gewandelt werden. Nach dem Filtern und Verstärken werden die elektrischen Signale potenziert, insbesondere quadriert. Werden die elektrischen Signale da bei so verstärkt und/oder werden mögliche Offsets der elektrischen Signale so eliminiert, dass der vorgegebene Schwellwert, welcher eine vorgegebene Partikelgröße im Messmedium repräsentiert, den Wert eins annimmt, wird der Abstand von Amplitudenwerten kleiner eins und denen größer eins vergrößert. Damit wird das Signal-Rausch-Verhältnis wesentlich verbessert. Beim Eliminieren eines Offsets wird meist das zu verarbeitende Signal mittelwertfrei gemacht. Hier handelt es sich insbesondere um eine Translation des Funktionsgraphen des Signals parallel zur Amplitudenachse nach einer vorgegeben Vorschrift, beispielsweise wird der kleinste Amplitudenwert des Signals gleich Null gesetzt oder ein Offset wird eliminiert durch Rauschintegration. Offsets werden beispielsweise hervorgerufen durch Rauschen, z. B. durch Rohrwellen, Temperaturrauschen etc.
Somit werden nur die eine vorgegebene Mindest-Größe aufweisenden Partikel im Messmedium registriert, da nur von diesen ein Ultraschallsignal mit ausreichender Amplitude reflektiert wird.
Alternativ zur obigen Ausführung wird der Schwellwert festgelegt während einer Messung mit Reinstwasser, wo es nur einen Rauschteppich in dem gemessenen Signal gibt.
Die entsprechende Schaltung des Messumformers zum Betreiben des Ultraschallwandlers 2 des Ultraschall-Partikelmesssystems 1 umfasst dann beispielsweise

– eine Sendestufe zur Anregung des Ultraschallwandlers mit einem vorgegebenen elektrischen Signal zum Aussenden eines vorgegebenen Ultraschallsignals,
– eine Empfangsstufe zur Detektion von elektrischen Signalen vom Ultraschallwandler, erzeugt aus empfangenen Ultraschallsignalen,
– ein Filter zur Filterung der elektrischen Signale,
– ein Verstärker zum Verstärken der elektrischen Signale,
– ein Offset-Schaltung um einen Offset in den elektrischen Signalen zu eliminieren,
– einen Potenzierer zum Potenzieren der elektrischen Signale, insbesondere einen Quadrierer zum Quadrieren der elektrischen Signale,
– einen Vergleicher zum Vergleichen der elektrischen Signale mit einem vorgegebenen Schwellwert,
– einen Zähler zum Zählen der elektrischen Signale, welche in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, eine Amplitude aufweisen, welche über dem vorgegebenen Schwellwert liegt,
– eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe der Anzahl der elektrischen Signale.

Der Messumformer ist somit geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von Partikeln zum Ultraschallwandler 2 reflektierten akustischen Signale und zur Zählung der Anzahl der Amplituden der Reflexionssignale in dem vorgegebenen zeitlichen Intervall, welche größer sind, als der vorgegebene Schwellwert.
Das Blockschaltbild in 3 veranschaulicht das Verfahren zur Erfassung der Partikel im Messmedium. Es skizziert die Komponenten eines erfindungsgemäßen Messumformers und deren Funktionen. Eine Sendestufe erzeugt ein beispielsweise ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 10 MHz, mit welchem der Ultraschallwandler zum Senden eines Ultraschallsignal angeregt wird. Das Signal besteht beispielsweise auf fünf aufeinander folgenden Impulsen, den so genannten Bursts. Als Ultraschallwandlerelement dient beispielsweise ein piezoelektrisches Element mit einem Durchmesser von 10 mm. In diesem Beispiel würde eine Bandbreite der Empfangsstufe von ca. 20 MHz ausreichen, um das elektrische Signal vom Ultraschallwandlerelement ausreichend weiterzuverarbeiten.
Das elektrische Signal wird anschließend mit einem Bandpass gefiltert, welcher beispielsweise eine Bandbreite von 8 bis 15 Mhz aufweist. Nach der Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von beispielsweise 40 bis 60 dB wird ein mögliches Offset des elektrischen Signals eliminiert. Der Verstärkungsfaktor ist dabei beispielsweise so gewählt, dass ein Schwellwert, mit welchem das elektrische Signal verglichen wird, nach dem Eliminieren des Offsets bei eins liegt. Das offsetfreie elektrische Signal wird anschließend potenziert, insbesondere quadriert. Das Potenzieren hat den Vorteil, dass der Abstand von Amplitudenwerte vor dem Potenzieren kleiner eins und von Amplitudenwerte vor dem Potenzieren größer eins sich vergrößert.
Ein Komparator vergleicht anschließend die Amplitude des elektrischen Signals mit einem vorher eingestellten Schwellwert. Der Schwellwert ist wiederum an den Verstärkungsfaktor angepasst. Ein Zähler zählt anschließend, wie viele Amplitudenspitzen des Signals über dem Schwellwert innerhalb eines vorgegebenen zeitlichen Intervalls liegen. Das zeitliche Intervall beginnt beispielsweise 30 μs nach der Anregung des Ultraschallwandlerelements zum Aussenden des Ultraschallsignals. Die Länge des zeitlichen Intervalls beträgt in diesem Beispiel 20 μs. Der Startzeitpunkt und die Länge des zeitlichen Intervalls sind abhängig von der Einbausituation des Ultraschallwandlers und des Durchmessers des Messrohrs. Das Ergebnis wird beispielsweise über einen Stromausgang ausgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschall-Partikelmesssystem
2: Ultraschallwandler
3: Ultraschallwandlergehäuse
4: Ultraschallwandlerelement
5: Koppelelement
6: Erste Kontaktfläche des Koppelelements
7: Zweite Kontaktfläche des Koppelelements
8: Messrohr
9: Signalpfad
10: Akustische Linse
11: Volumen zur Partikelmessung
12: Anschlussraum im Ultraschallwandler
13: Kabel
14: Steckanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6481268 [0004]
US 5251490 [0005]
US 5533408 [0006]
WO 03/102512 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Erfassung von Partikeln in einem Messmedium, welches folgende Verfahrensschritte umfasst: • Anregen eines Ultraschallwandlers zum Aussenden vorgegebener Ultraschallsignale in das Messmedium, • Empfangen von Ultraschallsignalen mit einem Ultraschallwandler und wandeln der Ultraschallsignale in elektrische Signale, • Eliminieren eines Offests in den elektrischen Signalen, • Potenzieren der elektrischen Signale mit einem Exponenten größer oder gleich zwei, • Zählen und Ausgeben der Anzahl der elektrischen Signale, welche eine Amplitude in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall nach dem Anregen des Ultraschallwandlers aufweisen, welche über einem vorgegebenen Schwellwert liegen.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Signale verstärkt werden, insbesondere vor dem Eliminieren der Offsets.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Signale mit einem Bandpass gefiltert werden, insbesondere vor dem Verstärken der elektrischen Signale.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal so parallel zur Amplitudenachse verschoben und/oder so verstärkt wird, dass der Schwellwert bei einer vorgegebenen Partikelgröße des Partikels im Messmedium den Wert eins annimmt.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallsignale mittels eines als Linse ausgestalteten Koppelelements (5) fokussiert werden.
Verfahren zur Erfassung von Partikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) in einem Messrohr (8) angeordnet ist.
Messumformer eines Ultraschall-Partikelmesssystems (1) mit zumindest einem Ultraschallwandler (2), welcher Messumformer umfasst: • eine Sendestufe zur Anregung des Ultraschallwandlers zum Aussenden eines vorgegebenen Ultraschallsignals, • eine Empfangsstufe zur Detektion von elektrischen Signalen vom Ultraschallwandler, erzeugt aus empfangenen Ultraschallsignalen, • ein Filter zur Filterung der elektrischen Signale, • ein Verstärker zum Verstärken der elektrischen Signale, • ein Offset-Schaltung um einen Offset in den elektrischen Signalen zu eliminieren, • einen Potenzierer zum Potenzieren der elektrischen Signale mit einem Exponenten größer oder gleich zwei, • einen Vergleicher zum Vergleichen der elektrischen Signale mit einem vorgegebenen Schwellwert, • einen Zähler zum Zählen der elektrischen Signale, welche in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, eine Amplitude aufweisen, welche über dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
Messumformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer einen Signalausgang aufweist, um den Wert des Zählers oder einen Alarm auszugeben, beim Überschreiten eines vorgegebenen Werts des Zählers.
Ultraschall-Partikelmesssystem (1), mit einem Ultraschallwandler (2), welcher zumindest ein Ultraschallwandlerelement (4) aufweist, und einem Messumformer, wobei vom Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale aussendbar und empfangbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer ein Messumformer gemäß den Ansprüchen 7 bis 8 ist.
Ultraschall-Partikelmesssystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (2) zumindest ein Koppelelement (5) aufweist, welches (5) als akustische Linse ausgestaltet ist.