DE102019123298A1 - Method and arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur modellbasierten Bestimmung der ortsspezifischen Eigenschaften eines Schaumvolumens. Die Erfindung ermöglicht, die Phasenzusammensetzung, insbesondere von partikelbeladenen Schäumen auch im inneren eines strömenden Schaumvolumens messtechnisch zu erfassen.The invention relates to a method and an arrangement for the model-based determination of the location-specific properties of a foam volume. The invention enables the phase composition, in particular of particle-laden foams, to be recorded by measurement technology also in the interior of a flowing foam volume.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur ortsaufgelösten Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der ortsaufgelösten Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens.The invention relates to a method and an arrangement for the spatially resolved characterization of the phase composition and the spatially resolved flow conditions within a foam volume.
In der industriellen Fertigung, bei der Abwasserbehandlung, im Papierrecycling und in der Erzaufbereitung ist der Einsatz von Schäumen in der Schaumflotation als Verfahren zur Trennung von verschiedenen Feststoffpartikeln bekannt. Dabei werden oft chemische Substanzen in das vorliegende Festpartikel-Flüssigkeitsgemisch eingebracht. Diese eingebrachten Substanzen binden häufig an die Festpartikel und verleihen ihnen die Eigenschaft „hydrophob“. Durch hinzugeben eines Schäumungsmittels und dem Einsatz eines Blasenerzeugers, welcher zumeist durch das Feststoff-Flüssigkeitsgemisch Luft bläst, wird ein Schaum erzeugt, an welchen die nun hydrophoben Feststoffpartikel binden. Der Schaum weist somit eine Beladung von Feststoffpartikeln auf.In industrial production, in wastewater treatment, in paper recycling and in ore processing, the use of foams in foam flotation is known as a process for separating various solid particles. In doing so, chemical substances are often introduced into the solid-particle-liquid mixture present. These introduced substances often bind to the solid particles and give them the property "hydrophobic". By adding a foaming agent and using a bubble generator, which mostly blows air through the solid-liquid mixture, a foam is generated to which the now hydrophobic solid particles bind. The foam thus has a load of solid particles.
Zur Charakterisierung eines, ggf. auch beladenen, Schaumes sind vorherrschend insbesondere optische Verfahren zur Messung der Schaumkronenhöhe im Einsatz. Vteitere Verbreitung finden u. a. Ultraschall gestützte Systeme oder Messungen der elektrischen Leitfähigkeit zur Bestimmung von Füllstandshöhen einer unter einem Schaum befindlichen Flüssigkeitssäule.Optical methods for measuring the foam crown height are predominantly used to characterize a foam, which may also be loaded. Other widespread use includes Ultrasound-based systems or measurements of electrical conductivity to determine the fill level of a column of liquid located under a foam.
Die
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Den zitierten Schriften ist ein generelles Fehlen von Orts- und Strömungsinformationen aus dem Inneren des Schaumvolumens gemein. Diesem Umstand geschuldet, sind weder die Informationen über die Phasenzusammensetzung noch Informationen über die tatsächlch vorherrschenden Strömungsverhältnisse in bzw. aus diesen Raumbereichen zugänglich.Common to the cited publications is a general lack of location and flow information from the interior of the foam volume. Due to this circumstance, neither the information about the phase composition nor information about the actually prevailing flow conditions in or out of these spatial areas are accessible.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorzuschlagen.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to propose a method and an arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Dazu wird ein Verfahren zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorgeschlagen.The object is achieved by the features of the independent claims. For this purpose, a method for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume is proposed.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Beschaffenheit des zu untersuchenden schaumartigen Mediums in mehrere Phasen unterteilt. Für das schaumartige Medium werden eine „gasförmige-Phase“, eine „flüssig-Phase“ unterschieden und die im Schaum vorkommenden Feststoffpartikel werden als „feste Phase“ verstanden. Das gleichzeitige vorliegen mehrerer der beschriebenen Phasen in einem gegebenen oder zu bestimmenden Mischungsverhältnis wird als Phasenzusammensetzung verstanden.In the context of the present invention, the nature of the foam-like medium to be examined is divided into several phases. A “gaseous phase” and a “liquid phase” are differentiated for the foam-like medium and the solid particles occurring in the foam are understood as the “solid phase”. The simultaneous presence of several of the phases described in a given or to be determined mixing ratio is understood as the phase composition.
Als Phasengrenzflächen werden demnach die Übergänge von einer Phase in eine andere Phase (Luft-Flüssigkeit, Luft-Feststoff, Flüssigkeit-Feststoff) verstanden.The transitions from one phase to another phase (air-liquid, air-solid, liquid-solid) are understood as phase interfaces.
Der Anteil, welcher dabei auf die feste Phase der Phasenzusammensetzung entfällt, wird im Sinne dieser Schrift als Partikelbeladung verstanden.The portion that is accounted for by the solid phase of the phase composition is understood as particle loading in the context of this document.
Die Strömungsverhältnisse betreffen sowohl das Verhalten der einzelnen Phasen als auch das Verhalten der Gesamtheit aller im Volumen befindlichen Phasen bei der Beaufschlagung mit Geschwindigkeit.The flow conditions affect both the behavior of the individual phases and the behavior of the entirety of all phases in the volume when they are subjected to speed.
Die Charakterisierung wird mittels Ultraschall vorgenommen und erfolgt nach den Schritten
- a) Aussenden einer Ultraschallwelle mindestens einer Frequenz mittels eines Ultraschallsenders in ein Schaumvolumen,
- b) Durchlaufen der Ultraschallwelle durch das Schaumvolumen,
- c) Streuung der Ultraschallwelle an den verschiedenen Phasengrenzflächen,
- d) Detektion des gestreuten Ultraschallechos mittels eines Ultraschallempfängers,
- e) Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung,
- f) Vergleich der Rekonstruierten Phasenzusammensetzung mit akustischen Eigenschaften bekannter Phasengemische,
- g) Zuordnung von Laufzeit des Schallsignals und Ort der Rückstreuung,
- h) Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung,
- i) Messung der longitudinalen Geschwindigkeitskomponente im jeweiligen Zeitabschnitt durch Vergleich aufeinanderfolgender Echosignale,
- j) Kombination der Informationen aus den Schritten e), f), g), h) und i), um die ortsspezifische Strömungsgeschwindigkeit der Phasengrenzflächen zu ermitteln,
- k) Kombination der Phasenanteile mit der lokalen Geschwindigkeit um Stoffströme zu bestimmen.
- a) sending an ultrasonic wave of at least one frequency by means of an ultrasonic transmitter into a foam volume,
- b) passage of the ultrasonic wave through the foam volume,
- c) Scattering of the ultrasonic wave at the different phase interfaces,
- d) Detection of the scattered ultrasound echo by means of an ultrasound receiver,
- e) reconstruction of the phase composition,
- f) Comparison of the reconstructed phase composition with acoustic properties of known phase mixtures,
- g) Assignment of the time of flight of the sound signal and the location of the backscatter,
- h) Reconstruction of the site-specific phase composition,
- i) Measurement of the longitudinal speed component in the respective time segment by comparing successive echo signals,
- j) Combination of the information from steps e), f), g), h) and i) to make the location-specific To determine the flow velocity of the phase interfaces,
- k) Combination of the phase components with the local speed to determine material flows.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the dependent claims that refer back.
Zunächst werden Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 MHz in das Schaumvolumen eingebracht. Dabei kann sowohl eine einzige Frequenz als auch eine Sequenz oder Überlagerung mehrerer Frequenzen genutzt werden. Dabei werden die Schallwellen derart eingekoppelt, dass der Vektor der in der Zielregion vorherrschenden Fließgeschwindigkeit des Schaumvolumens mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden direkten Verbindungslinien zwischen Zielregion und Ultraschallsender bzw. Zielregion und Ultraschallempfänger einen definierten Winkel zwischen 0° und 360° einnehmen, wobei die Winkel 90° und 270° ausgeschlossen sind, da diese keine Informationen bzgl. einer eventuellen Dopplerverschiebung enthalten.First, ultrasonic waves in the frequency range from 10 kHz to 1 MHz are introduced into the foam volume. A single frequency as well as a sequence or superposition of several frequencies can be used. The sound waves are coupled in such that the vector of the flow velocity of the foam volume prevailing in the target region with the bisector between the two direct connecting lines between the target region and the ultrasound transmitter or the target region and the ultrasound receiver assume a defined angle between 0 ° and 360 °, the angles being 90 ° and 270 ° are excluded, as these do not contain any information regarding a possible Doppler shift.
In der Zielregion wird die Schallwelle gestreut. Die Streuung der einlaufenden Wale hin zum Wellendetektor wird als Ultraschallecho verstanden.The sound wave is scattered in the target region. The scattering of the incoming whales towards the wave detector is understood as an ultrasonic echo.
Das aus dem Schaum den Detektor erreichende Ultraschallecho wird mittels des Ultraschalldetektors erfasst. Das erfasste Signal wird bezüglich des Zeitpunktes des Detektierens in Zeitabschnitte aufgeteilt.The ultrasonic echo reaching the detector from the foam is recorded by the ultrasonic detector. The detected signal is divided into time segments with regard to the time of detection.
Die so erhaltenen Zeitabschnitte des Streuechos werden mit Ortskoordinaten entlang der Schallachse innerhalb des Schaumvolumens korreliert, an dem die Echoerzeugung stattfand.The time segments of the scattered echo obtained in this way are correlated with spatial coordinates along the sound axis within the foam volume at which the echo generation took place.
Das Amplitudenspektrum des Streuechos ist abhängig von der vorherrschenden Schaumzusammensetzung entlang des Schallwegs sowie am Streuobjekt. So weisen beispielsweise Orte mit hoher Partikelbeladung andere Eigenschaften bzgl. der stattfindenden Streuung und Transmittanz auf als die Regionen niedriger Partikelbeladung. Dabei wird unter Transmittanz die Fähigkeit eines Körpers zur Durchleitung von Wellen verstanden. Somit werden aus dem gemessenen Schallecho die Dämpfungseigenschaften entlang des Schallwegs mittels iterativer mathematischer Verfahren abschnittsspezifisch berechnet. Dabei wird jedem zeitlichen Signalabschnitt die für diesen Abschnitt spezifische Dämpfungseigenschaft zugeordnet. Aus der Dämpfungseigenschaft wird eine Aussage über die erwartete ortsspezifische Phasenzusammensetzung getroffen. Auf der Basis von Modellen wird aus der abschnittspezifischen Phasenzusammensetzung die lokale Schallgeschwindigkeit ermittelt. Aus der Gesamtheit der Schallgeschwindigkeiten in jedem Abschnitt wird eine Zuordnung zwischen Zeitabschnitt und Ort der Echoerzeugung durchgeführt.The amplitude spectrum of the scattered echo depends on the prevailing foam composition along the sound path and on the scattered object. For example, locations with a high particle load have different properties with regard to the scattering and transmittance that take place than the regions with low particle load. Here, transmittance is understood to mean the ability of a body to transmit waves. The attenuation properties along the sound path are calculated section-specifically from the measured sound echo using iterative mathematical methods. The specific attenuation characteristic for this segment is assigned to each temporal signal segment. A statement about the expected site-specific phase composition is made from the damping property. Based on models, the section-specific phase composition is used to determine the local speed of sound. From the totality of the speed of sound in each section, an association between the time section and the location of the echo generation is carried out.
Die Schaumbewegungen in jedem zeitlichen Signalabschnitt werden aus der „Phasenlage“ der Echosignale unter der Ausnutzung des Doppler-Effekts gemessen. Über obigen Zusammenhang zwischen zeitlichem Abschnitt und Ort der Echoerzeugung wird die longitudinale Geschwindigkeitskomponente der Phasengrenzflächen entlang der Schallachse rekonstruiert. The foam movements in each temporal signal segment are measured from the "phase position" of the echo signals using the Doppler effect. The longitudinal velocity component of the phase interfaces along the sound axis is reconstructed via the above relationship between the time segment and the location of the echo generation.
Die Erfindung ermöglicht somit vorteilhaft eine unmittelbare quantitative Bewertung der anteiligen Zusammensetzung des Schaumes bezüglich seiner festen, flüssigen oder gasförmigen Phasenbestandteile sowie der im Kollektiv stattfindenden Schaumbewegung.The invention thus advantageously enables a direct quantitative assessment of the proportionate composition of the foam with regard to its solid, liquid or gaseous phase constituents and the foam movement taking place in the collective.
Für den Begriff der Streuung gilt: Trifft eine Ultraschallwelle, im Folgenden auch als „Welle“ bezeichnet, auf eine Unstetigkeit in der akustischen Impedanz, insbesondere eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Phasen, so kommt es zur Beugung der Welle, Brechung der Welle und Reflexion der Welle in unterschiedlichem Ausmaße. Die genannten Prozesse haben gemeinsam, dass sie je nach Medium und Phase des Mediums zur Änderung der Wellenausbreitungseigenschaften in der Lage sind. Als Wellenausbreitungseigenschaften werden die Schallgeschwindigkeit und die im Medium erfahrende Dämpfung verstanden. Prozesse, welche ebendiese Eigenschaften ändern werden in dieser Schrift als Streuung verstanden.The following applies to the concept of scattering: If an ultrasonic wave, also referred to as “wave” in the following, encounters a discontinuity in the acoustic impedance, in particular an interface between two different phases, the wave is diffracted, the wave is refracted and the wave is reflected Wave in different dimensions. What these processes have in common is that, depending on the medium and phase of the medium, they are able to change the wave propagation properties. Wave propagation properties are understood to be the speed of sound and the attenuation experienced in the medium. Processes that change these properties are understood as dispersion in this document.
Als Ultraschall, ggf. als US abgekürzt, bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz bis zu Frequenzen von etwa 1 GHz. In dieser Schrift wird der Bereich des Ultraschalls als der Frequenzbereich von 10 kHz bis 1 MHz verstanden, da in diesem Bereich der Kompromiss aus hinreichend guter hoher Ortsauflösung und notwendiger Eindringtiefe gegeben ist. Dabei gilt, je größer die Schallfrequenz, desto höher die Dämpfung und desto geringer die Eindringtiefe.Ultrasound, possibly abbreviated as US, is the term used to describe sound with frequencies above the human hearing frequency range. It covers frequencies from around 16 kHz up to frequencies of around 1 GHz. In this document, the range of ultrasound is understood as the frequency range from 10 kHz to 1 MHz, since in this range there is a compromise between sufficiently good high spatial resolution and the necessary penetration depth. The higher the sound frequency, the higher the attenuation and the lower the penetration depth.
Zur Erzeugung des Ultraschalls werden häufig Ultraschallwandler eingesetzt. Ein Ultraschallwandler kann als Ultraschallsender und/oder als Ultraschallempfänger betrieben werdenUltrasonic transducers are often used to generate the ultrasound. An ultrasonic transducer can be operated as an ultrasonic transmitter and / or as an ultrasonic receiver
Ein Ultraschallwandlerarray ist die linienhafte oder flächige Anordnung von Ultraschallwandlern.An ultrasonic transducer array is the linear or flat arrangement of ultrasonic transducers.
Durch die Einteilung des Signals in Zeitabschnitte ist es möglich, die räumlichen Informationen zuzuordnen. Dabei wird jedem Zeitfenster der empfangenen Welle eine Ortsinformation zugeordnet. Zusätzlich ist es nun möglich, die Echosignale mehrerer Schallwellen mit verschiedenen Frequenzen zu kombinieren. Dadurch kann die Dämpfungseigenschaft eines Schaumvolumens für verschiedene Schallfrequenzen verglichen und somit eine verlässlichere Aussage über die Phasenzusammensetzung des Schaumvolumens getroffen werden als es mit nur einer Frequenz möglich wäre. Mit den beanspruchten Bereichsgrenzen von 0,01 MHz bis 10 MHz wird im Mittel eine minimale Ortsauflösung von 3 cm und eine maximale Eindringtiefe von 30 cm realisiert. Die verwendeten Schäume zur Erhebung der Messdaten weisen dabei einen gemittelten Durchmesser der Schaumblasen von 5 mm bei einer Unsicherheit von bis zu +/-1 mm auf. Damit weist der vorliegende Schaum eine flüssig-Phase zwischen 0,1 % und 1 % auf.By dividing the signal into time segments, it is possible to assign the spatial information. Location information is provided for each time window of the received wave assigned. In addition, it is now possible to combine the echo signals of several sound waves with different frequencies. As a result, the damping properties of a foam volume can be compared for different sound frequencies and a more reliable statement about the phase composition of the foam volume can be made than would be possible with just one frequency. With the claimed range limits of 0.01 MHz to 10 MHz, an average minimum spatial resolution of 3 cm and a maximum penetration depth of 30 cm are achieved. The foams used to collect the measurement data have an average diameter of the foam bubbles of 5 mm with an uncertainty of up to +/- 1 mm. The present foam thus has a liquid phase between 0.1% and 1%.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind mathematische Gleichungen zur Anwendung zur Lösung des Problems bekannt, wie aus den gegebenen Messdaten, die Geschwindigkeit des Schaums abzuleiten ist. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der aufgewandte Rechenaufwand der Datenverarbeitungsanlage gut vorbestimmt werden kann. Dies ermöglicht einerseits vorteilhaft die Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit eines solchen Systems und bietet andererseits die Möglichkeit zur Verwendung auf tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, z. B. Smartphones und Tablets, um ggf. in transportablen Prüf- und Messmitteln Einsatz zu finden.Mathematical equations for use in solving the problem of how the speed of the foam can be derived from the given measurement data are known from the general prior art. The advantage of this procedure is that the computing effort expended by the data processing system can be well predetermined. On the one hand, this advantageously enables the real-time capability of such a system to be guaranteed and, on the other hand, offers the possibility of using it on portable data processing systems, e.g. B. Smartphones and tablets to be used in transportable test and measuring equipment if necessary.
Die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes bietet die Möglichkeit zum vorteilhaften Einsatz selbstlernender Algorithmen. Diese finden vorteilhafte Verwendung in stationären Systemen, beispielsweise im industriellen Maßstab. Durch die Möglichkeit des Einsatzes leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen ist somit die effiziente Verarbeitung großer Datenmengen gewährleistet.The use of a neural network offers the possibility of the advantageous use of self-learning algorithms. These are advantageously used in stationary systems, for example on an industrial scale. The possibility of using more powerful data processing systems ensures efficient processing of large amounts of data.
Vorteilhaft wird durch die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes die Abbidung komplexer und nicht eindeutiger Zusammenhänge von Schallausbreitungseigenschaften und Schaumzusammensetzung ermöglicht.The use of a neural network advantageously enables the mapping of complex and ambiguous relationships between sound propagation properties and foam composition.
Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist mindestens einen Ultraschallwandler auf.The arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound has at least one ultrasound transducer.
In jedem Falle ist der Ultraschallwandler in relativer Nähe eines Schaumvolumens derart ausgerichtet, dass der davon ausgesandte Ultraschall einer direkten Linie vom Sender zur Zielregion folgt, in der Zielregion gestreut wird und nach der Streuung von der Zielregion zum Empfänger propagiert. Die Propagation des Ultraschalls wird in direkter Line dem folgenden Verlauf folgen: Eintritt in das Schaumvolumen, Durchschreiten des Schaumvolumens bis zur Zielregion, Streuung in der Zielregion unter anderem in Richtung eines Ultraschallempfängers, Durchschreiten des Schaumvolumens durch die gestreute Welle, Verlassen des Schaumvolumens und anschließende Detektion durch den Ultraschallsender.In any case, the ultrasonic transducer is oriented in the relative vicinity of a foam volume in such a way that the ultrasound emitted by it follows a direct line from the transmitter to the target region, is scattered in the target region and, after scattering, propagates from the target region to the recipient. The propagation of the ultrasound will follow the following course in a direct line: entry into the foam volume, crossing the foam volume to the target region, scattering in the target region, among other things, in the direction of an ultrasound receiver, crossing the foam volume through the scattered wave, leaving the foam volume and subsequent detection through the ultrasonic transmitter.
Die Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger schließen bevorzugt einen Winkel von 0 ° bis +/-180 ° ein. Hierbei ist Der Fall +/-90 ° explizit ausgeschlossen, da sich in diesem Falle keine Informationen über die Schaumgeschwindigkeit aus dem rückgestreuten Ultraschall gewinnen lassen.The connecting lines from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver preferably enclose an angle of 0 ° to +/- 180 °. The +/- 90 ° case is explicitly excluded here, since in this case no information about the foam speed can be obtained from the backscattered ultrasound.
Besonders bevorzugt werden Winkel der Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger von -5 ° bis 5 ° eingenommen, da in diesem Bereich vorteilhaft eine geringere Unsicherheit der Messung zu erzielen ist.Particularly preferably, angles of the connecting lines from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver of -5 ° to 5 ° are assumed, since a lower uncertainty of the measurement can advantageously be achieved in this area.
Insbesondere bevorzugt werden Ultraschallwandler verwendet, welche gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten und somit die Verbindungsvektoren ausgehend vom Sender hin zur Zielregion und von der Zielregion in zum Empfänger modellhaft als antiparallel verstanden werden und somit einen Winkel von 0 ° einschließen.Particularly preferably, ultrasonic transducers are used which work simultaneously as transmitter and receiver and thus the connection vectors starting from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver are understood as antiparallel and thus include an angle of 0 °.
Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist in einer Ausführungsform zusätzlich mindestens eine Datenverarbeitungsanlage auf. Die Datenverarbeitungsanlage ist dabei bevorzugt zur Signalerzeugung des Ultraschallsignals, zur Energieversorgung des/der Ultraschallwandler/s und zur Aufzeichnung der Signale des Ultraschallempfänges geeignet. Die Datenverarbeitungsanlage ist insbesondere dazu ausgebildet, die empfangenen Signale bezüglich ihrer physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitudenspektrum“ auszumessen.The arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound additionally has at least one data processing system in one embodiment. The data processing system is preferably suitable for generating the ultrasonic signal, for supplying energy to the ultrasonic transducer (s) and for recording the signals of the ultrasonic receiver. The data processing system is designed in particular to measure the received signals with regard to their physical parameters “frequency”, “phase” and “amplitude spectrum”.
Um in einer weiteren Ausführungsform eine flächige Abdeckung der Datenaufnahme zu ermöglichen und/oder zu erweitern, weist die Anordnung eine Verstellmechanik auf, an welcher mindestens ein Ultraschallsender und/oder mindestens ein Ultraschallempfänger befestigt werden kann. Die Verstellmechanik ist geeignet, die Position der Ultraschallelemente derart zu variieren, dass verschiedene ggf. benachbarte Orte mit Ultraschall durchstrahlt werden können. Die Verknüpfung aus den Positionsdaten der Verstellmechanik und den gemessenen physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitude“ der rückgestreuten Welle kann so vorteilhaft zur Erweiterung des Messbereichs genutzt werden.In order to enable and / or expand a flat coverage of the data recording in a further embodiment, the arrangement has an adjustment mechanism to which at least one ultrasound transmitter and / or at least one ultrasound receiver can be attached. The adjustment mechanism is suitable for varying the position of the ultrasonic elements in such a way that different, possibly neighboring locations can be irradiated with ultrasound. The combination of the position data of the adjustment mechanism and the measured physical parameters “frequency”, “phase” and “amplitude” of the backscattered wave can thus be used advantageously to expand the measuring range.
Die Verwendung eines etwaigen Auswerteverfahrens erfolgt nach Detektion der Ultraschallwelleneigenschaften der jeweils gestreuten Ultraschallanteile. Dazu wird auf einer vorteilhaft verwendeten Datenverarbeitungsanlage ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung der Phasenzusammensetzung der Strömungsverhältnisse eines Schaumvolumens ausgeführt. In das Computerprogrammprodukt werden zur Bewältigung der Berechnungsaufgaben beispielsweise die gemessenen Welleneigenschaften „Frequenz“, „Phasenlage“ und „Amplitudenspektrum“ über die Dauer des Echosignals eingegeben.Any evaluation method is used after the detection of the ultrasonic wave properties of the respective scattered ultrasonic components. For this purpose, a computer program product for determining the phase composition of the flow conditions of a foam volume is executed on an advantageously used data processing system. For example, the measured wave properties “frequency”, “phase position” and “amplitude spectrum” over the duration of the echo signal are entered into the computer program product to cope with the calculation tasks.
Die Grundlage des Computerprogramms sind Modelle, welche den Zusammenhang zwischen Phasenanteilen und akustischen Eigenschaften beschreiben.The basis of the computer program are models that describe the relationship between phase components and acoustic properties.
Die verwendeten Modelle sind bevorzugt aus Modellversuchen abgeleitet, da Simulation häufig nicht das benötigte Vertrauensniveau besitzen, um die ortsspezifische Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb des Schaumvolumens hinreichend zu bestimmen.The models used are preferably derived from model tests, since simulations often do not have the level of confidence required to adequately determine the site-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within the foam volume.
Unter der Verwendung des Verfahrens zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall wird vorteilhaft die Erstellung von Bildinformationen, statischer oder bewegter Bilder, ermöglicht. Insbesondere im Falle bewegter Bilder kann somit vorteilhaft die Kinematik der Schaumströmung bestimmt und quantifiziert werden.Using the method for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound advantageously enables the creation of image information, static or moving images. In particular in the case of moving images, the kinematics of the foam flow can thus advantageously be determined and quantified.
Insbesondere bei der Erstellung bewegter Bilder wird die Charakterisierung in Echtzeit bevorzugt. Echtzeit bedeutet hierbei, dass zwischen der Aufnahme der Messdaten und der Ausgabe der Ergebnisse nach deren Auswertung durch eine Datenverarbeitungsanlage eine gegebene Zeitspanne nicht überschritten wird. Dies ermöglicht zusätzlich eine vorab vorteilhafte Dimensionierung der benötigten Datenverarbeitungsanlage.Characterization in real time is preferred, particularly when creating moving images. Real time here means that a given period of time is not exceeded between the recording of the measurement data and the output of the results after their evaluation by a data processing system. This also enables the required data processing system to be dimensioned advantageously in advance.
Eine stationäre Ausführung der Messanordnung wird für den Einsatz an großtechnischen Anlagen zur permanenten Prozesskontrolle bevorzugt. Dies ermöglicht den vorteilhaften Einsatz leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen zur Erfassung und Analyse von großen Datenmengen.A stationary version of the measuring arrangement is preferred for use in large-scale systems for permanent process control. This enables the advantageous use of more powerful data processing systems for the acquisition and analysis of large amounts of data.
Als weitere Ausführung wird ein portables System zur Verwendung zu Mess- und Prüfaufgaben zu Überwachungszwecken bevorzugt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, wie z. B. Smartphones oder Tablet-Rechnern.A portable system for use in measuring and testing tasks for monitoring purposes is preferred as a further embodiment. This advantageously enables the use of portable data processing systems, such as. B. Smartphones or tablet computers.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zweckmäßig miteinander zu kombinieren.For the implementation of the invention, it is also expedient to combine the above-described configurations, embodiments and features of the claims with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben und in den zugehörigen Figuren dargestellt.
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1 zeigt schematisch die Anordnung eines Wandlerarrays aus Ultraschallwandlern (101 ) vor einer Schaumablaufkante. Ein partikelbeladener Schaum mit Feststoffpartikeln (401 ) strömt in Richtung des Wandlerarrays zeigend über diese Kante. Schematisch wird das Einstrahlen mehrerer Wellenfronten (201 ) des Ultraschalls in das Schaumvolumen (301 ) dargestellt. Die gestreuten Anteile und die Fließrichtung des strömenden Schaums nehmen somit einen Winkel im beanspruchten Bereich zwischen 0° und 90° ein. -
2 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der ortsspezifischen Zusammensetzung eines Schaumvolumens. Bei dieser Darstellung liegt die Echowelle bzw. das Echosignal (102 ) bereits vor und wird zunächst in verschiedene Zeitabschnitte (202 ) eingeteilt. Die jeweiligen Intensitäten des Echosignals zum gegebenen Zeitabschnitt wird in einer Analyseeinrichtung in Form einer Datenverarbeitungsanlage mit Rekonstruktionsalgorithmus (302 ) zugeführt. In der Analyseeinrichtung wird das Echosignal hinsichtlich der Amplituden bei verschiedenen Frequenzen ausgewertet. Daraus werden wiederum Reflexion und Transmission an dieser Position bestimmt. Mittels eines Modells, beispielsweise einer Modellrechnung, kann daraus die Phasenzusammensetzung ermittelt werden. Aus der Phasenzusammensetzung kann wiederum auf die lokale Schallgeschwindigkeit geschlossen werden und somit jeder Zeitabschnitt einem Ort zugewiesen werden. Weiterhin wird damit die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zeitabschnitt ermöglicht
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1 shows schematically the arrangement of a transducer array made up of ultrasonic transducers (101 ) in front of a foam runoff edge. A particle-laden foam with solid particles (401 ) flows over this edge, pointing in the direction of the transducer array. The radiation of several wave fronts (201 ) of the ultrasound into the foam volume (301 ) shown. The scattered parts and the direction of flow of the flowing foam thus assume an angle in the claimed range between 0 ° and 90 °. -
2 shows schematically the sequence of the method for determining the site-specific composition of a foam volume. In this representation, the echo wave or the echo signal (102 ) already and is initially divided into different time periods (202 ) assigned. The respective intensities of the echo signal at the given time segment are recorded in an analysis device in the form of a data processing system with a reconstruction algorithm (302 ) supplied. In the analysis device, the echo signal is evaluated with regard to the amplitudes at different frequencies. From this, in turn, reflection and transmission at this position are determined. The phase composition can be determined therefrom by means of a model, for example a model calculation. The phase composition can in turn be used to deduce the local speed of sound and thus each time segment can be assigned to a location. This also enables the flow velocity to be evaluated in this time segment
Somit kann anschließend die Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, der lokalen Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit (
Beispielsweise wird zum Aufbau der Vorrichtung ein runder piezoelektrischer Ultraschallwandler mittels einer Halterung derart in der Nähe einer Schaumflusszone angebracht. Die Schaumflusszone ist in diesem Falle die Ablaufkante einer Schaumflotationszelle, über welcher sich die Bewegung des Schaumes ereignet. Zu dieser Ablaufkante ist de Schallausbreitungsrichtung des Ultraschallwandlers derart angeordnet, dass die aktive, schallerzeugende Fläche in Richtung der Ablaufkante zeigt. Der verwendete Ultraschallwandler weist dabei einen Durchmesser der schallerzeugenden Fläche, des sog. Schwingers, von 19 mm und eine nominale Mittenfrequenz von 175 kHz auf.For example, to build the device, a round piezoelectric ultrasonic transducer is attached by means of a holder in the vicinity of a foam flow zone. In this case, the foam flow zone is the run-off edge of a foam flotation cell, over which the movement of the foam occurs. The direction of sound propagation of the ultrasonic transducer is to this trailing edge arranged in such a way that the active, sound-generating surface points in the direction of the run-off edge. The ultrasonic transducer used has a diameter of the sound-generating surface, the so-called oscillator, of 19 mm and a nominal center frequency of 175 kHz.
Der Ultraschallwandler wird durch eine geeignete Elektronik angesteuert. Dabei wird aus dem elektrischen Signal eine Ultraschallwelle erzeugt. Das in den Wandler eingekoppelte elektrische Signal entspricht einem Rechtecksignal und weist eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Die Signalamplitude wird auf 160 V (peak to peak) eingestellt. Die daraus resultierende Ultraschallwelle weist somit erwartungsgemäß eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Dies entspricht einer Wellenlänge in Luft von ca. 2 mm. Das Ultraschallsignal wird über die Anzahl von 5 Perioden aufrechterhalten.The ultrasonic transducer is controlled by suitable electronics. An ultrasonic wave is generated from the electrical signal. The electrical signal coupled into the converter corresponds to a square-wave signal and has a center frequency of 175 kHz. The signal amplitude is set to 160 V (peak to peak). As expected, the resulting ultrasonic wave thus has a center frequency of 175 kHz. This corresponds to a wavelength in air of approx. 2 mm. The ultrasonic signal is sustained for 5 periods.
Die folgenden Schritte zur Messung werden mit einer Rate von 250 Hz wiederholt. Die Aufnahme der Messdaten beginnt mit der Aussendung des Ultraschallsignals. Nach dessen Aussendung breitet es sich zunächst in Luft aus und dringt dann in das Schaumvolumen ein. Im Schaumvolumen wird der Schall an der Schaumstruktur sowie an den Partikeln im Schaum gestreut und erfährt so ggf. Änderungen seiner Eigenschaften „Frequenz“ und/oder „Amplitude“. The following measurement steps are repeated at a rate of 250 Hz. The recording of the measurement data begins with the transmission of the ultrasonic signal. After it is emitted, it first spreads in the air and then penetrates the foam volume. In the foam volume, the sound is scattered on the foam structure and on the particles in the foam and thus experiences changes in its “frequency” and / or “amplitude” properties.
Ein Teil des gestreuten Ultraschalls wird in Richtung des Ultraschallwandlers gelenkt und durch diesen empfangen und in ein elektrisches Analogsignal gewandelt. Das elektrische Analogsignal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers, AD-Wandlers, in ein elektrisches digitales Signal gewandelt, verstärkt und auf einer Festplatte gespeichert. Der dazu verwendete AD-Wandler weist dabei eine Abtastfrequenz von 625 kHz auf.Part of the scattered ultrasound is directed in the direction of the ultrasonic transducer and received by it and converted into an electrical analog signal. The electrical analog signal is converted into an electrical digital signal by means of an analog-digital converter, AD converter, amplified and stored on a hard disk. The AD converter used for this has a sampling frequency of 625 kHz.
Zur computergestützten Nachverarbeitung werden die empfangenen und gespeicherten Signale in zeitbasierte Abschnitte unterteilt. Ein Zeitabschnitt umfasst in diesem Beispiel eine Zeitspanne von 3,2 µs. Für jeden dieser Abschnitte wird die Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals bestimmt und modellbasiert werden aus Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals für jeden Abschnitt die Phasenanteile der festen, flüssigen und gasförmigen Phase bestimmt.The received and stored signals are divided into time-based sections for computer-aided post-processing. In this example, a time segment comprises a time span of 3.2 µs. The reflection, attenuation and transmission of the signal are determined for each of these sections and the phase components of the solid, liquid and gaseous phase are determined for each section from the reflection, attenuation and transmission of the signal.
Zur modellbasierten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Schaumes wird ein Computerprogramm verwendet, welches diese aus den Messdaten der zeitlichen Abschnitte nacheinander aufgenommener Signalfolgen mittels dopplerbasiertem Auswerteverfahren berechnet.A computer program is used for the model-based determination of the flow velocity of the foam, which calculates these signal sequences recorded one after the other from the measurement data of the time segments using a Doppler-based evaluation method.
Als nacheinander aufgenommene Signalfolgen werden hier 100 aufeinander folgende Signalaussendungen verstanden. Damit wird die Geschwindigkeitskomponente des Schaumes in Schallausbreitungsrichtung linienhaft erfasst und kann für die gegebene Parameterkombination bis zu einem Maximalwert der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 123 mm/s bestimmt werden.100 consecutive signal transmissions are understood here as successively recorded signal sequences. In this way, the speed component of the foam in the direction of sound propagation is recorded as a line and can be determined for the given combination of parameters up to a maximum value of the flow speed of up to 123 mm / s.
Die Kombination aus den Phasenanteilen sowie der Strömungsgeschwindigkeit liefert somit den Volumenstrom der einzelnen Phasen.The combination of the phase proportions and the flow rate thus provides the volume flow of the individual phases.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 101101
- UltraschallwandlerUltrasonic transducer
- 102102
- EchosignalEcho signal
- 201201
- UltraschallwellenfrontUltrasonic wavefront
- 202202
- Zeitabschnitte des EchosignalsTime segments of the echo signal
- 301301
- SchaumvolumenFoam volume
- 302302
- Datenverarbeitungsanlage mit RekonstruktionsalgorithmusData processing system with reconstruction algorithm
- 401401
- FeststoffpartikelSolid particles
- 402402
- Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung F, der Schallgeschwindigkeit c und der Zuordnung des Ortes x zum Zeitpunkt tReconstruction of the phase composition F, the speed of sound c and the assignment of the location x at time t
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- WO 2005/003758 A1 [0008]WO 2005/003758 A1 [0008]
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