DE10232233C1

DE10232233C1 - Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids

Info

Publication number: DE10232233C1
Application number: DE2002132233
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wagner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-07-18

Abstract

Zur Messung der Dichte eines Fluids werden die Schallimpedanz und die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Die Schallimpedanz wird mit einem Referenzkörper (2) an einer Messwand (12) ermittelt. Ein erster piezoelektrischer Ultraschallwandler (7) ist an dem einen Ende eines Referenzpfades (10) im Referenzkörper (2) und eines Messpfades (11) in der Messwand (12) und ein zweiter Wandler (8) an dem anderen Ende des Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) schräg angeordnet, sodass der Referenzpfad (10) durch den Weg des an der Grenzfläche (2)/(12), (2)/Luft und (2)//12 reflektierten Schalls und der Messpfad (11) durch den Weg des an der Grenzfläche (2)/(12) gebrochenen, an der Grenzfläche (12)/(4) reflektierten und an der Grenzfläche (12)/(2) gebrochenen Schalls in der Messwand (12) gebildet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids, also einer Flüssigkeit oder eines Gases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt (DE 299 16 826 U1 sowie Püttmer, A., et. al. "Ultrasonic Density Sensor for Liquides", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 47, No. 1, January 2000, Seiten 85-92).

Dabei ist der piezoelektrische Wandler zwischen zwei Referenzkörpern eingeschlossen. Zur Bildung der Referenzamplitude trifft der Schall in dem einen Referenzkörper senkrecht auf die Grenzfläche zur Luft auf, wo er nahezu vollständig reflektiert wird. In dem anderen Referenzkörper trifft der Strahl senkrecht auf die Grenzfläche Referenzkörper/Fluid, wodurch er teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen wird. Aus dem Verhältnis der an der Grenzfläche erster Referenzkörper/Luft reflektierten Amplitude und der an der Grenzfläche zweiter Referenzkörper/Fluid reflektierten Amplitude lässt sich bei Kenntnis der Schallimpedanz, also des Schallwellenwiderstand des Referenzwerkstoffes (Z₁), die Schallimpedanz (Z₂) des Fluids und daraus die Dichte (ρ) des Fluids nach der Formel (I) errechnen

R stellt darin den Reflexionsfaktor dar, d. h. das Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle und dem Druck der einfallenden Welle.
(vergleiche das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seiten 36 und 37)

Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (c) der Flüssigkeit erfolgt mit einem piezoelektrischen Empfangsschallwandler, der auf der anderen Seite des Fluids angeordnet ist, durch Messung der Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen Sende- und Empfangsschallwandler.

Aus der Kenntnis der Schallimpedanz und der Schallgeschwindigkeit des Fluids lässt sich die Dichte nach folgender Formel errechnen:

ρ = Z/c (II)

Mit der bekannten Vorrichtung werden absolute Genauigkeiten von unter einem Prozent erreicht. Nachteilig ist jedoch, dass als Referenzmaterial Quarzglas für einen akzeptablen Messeffekt verwendet werden muss. Durch die Verwendung von Glas kann jedoch z. B. die Dichte abrasiver oder alkalischer Flüssigkeiten nicht bestimmt werden, da sie die sehr empfindliche Grenzfläche Glas/Wasser zerstören würden. Je niedriger das Impedanzverhältnis des Referenzmaterials zum Fluid ist, um so größer ist nämlich der Messeffekt. D. h., die Veränderung des Reflexionsfaktors in Abhängigkeit zur Impedanzänderung des Fluids wird größer. Bei einem Referenzwerkstoff, wie Stahl, ist der Messeffekt für eine senkrechte Messung sehr schwach.

Während Stahl eine Schallimpedanz für longitudinale Schallwellen von 46 × 10⁶ kg/m²s hat, beträgt die Schallimpedanz von Glas 15,3 × 10⁶ kg/m²s. Das heißt, während bei Stahl 93% des Schalls reflektiert werden, sind es bei Glas lediglich etwa 80%, d. h. 20% des Schalls gehen in das Fluid. Damit wird also eine entsprechende Erhöhung des Messeffekts erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art mit hoher Genauigkeit, Robustheit und vielfältiger Anwendbarkeit zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht.

In den Ansprüchen 2 bis 17 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben.

Mit dem Anspruch 18 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung von einer Vorrichtung zur Messung der Dichte zu einer Vorrichtung zur Messung des Massenflusses eines Fluids ausgebildet. Der Anspruch 19 hat eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gegenstand.

Das Material der Messwand kann ein metallisches oder keramisches Material oder ein Kunststoff sein. Als Metall kann beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl verwendet werden. Als inertes Material wird glasartiger Kohlenstoff bevorzugt, fallweise auch AL2O3 als Keramik. Das Material des Referenzkörpers kann z. B. Glas oder Kunststoff sein. Als Kunststoff kann beispielsweise ein Acrylglas eingesetzt werden, z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyetheretherketon (PEEK) oder Rexolite.

Bei hochagressiven Flüssigkeiten unter Druck ist Edelstahl besonders geeignet, bei eher niedrigen Drücken Glaskohlenstoff. Als Kunststoff kann z. B. Rexolite eingesetzt werden.

Eine wesentliche Verbesserung des Messeffekts wird dadurch erreicht, dass der Sendeschallwandler derart schräg auf die Grenzfläche Referenzkörper/Messzellenaußenwand auftrifft, dass in der Messzellenwand durch Brechung nur noch Transversalwellen erzeugt werden. Diese Bedingung ist erreicht, wenn die Schallwellen schräg auf die Grenzfläche Referenzkörper/Messzelle auftreffen, dass der Einschallwinkel α zum Lot auf die Grenzfläche größer ist als der Grenzwinkel α' und kleiner als der Grenzwinkel α", worin

sind,
worin c_1long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Referenzkörper,
c_2long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in der Messzellenwand und
c_2trans die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen in der Messzellenwand bedeuten.
(Vergleiche: Das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seite 38 und 39.)

Der Winkel α kann beispielsweise zwischen 30 und 60° liegen.

Für den Fall eines schrägen Auftreffens des Schallstrahls auf die Grenzschicht Fluid-Messzelle gelten die Gleichungen V und VI.

c_l: longitudinale Schallgeschwindigkeit im Feststoff [m/s]
c_t: transversale Schallgeschwindigkeit im Feststoff [m/s]
ρ_f: Dichte im Feststoff [kg/m³]
c: Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit [m/s]
ρ: Dichte im Flüssigkeit [kg/m³]
(Krautkrämer und Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall 1986).

Die Bezeichnungen der Winkel geben jeweils Aufschluss über die Herkunft der Welle, also e für einfallend, r für reflektiert und g für gebrochen mit zugehörigen Indizes der Wellentypen l für longitudinal und t für transversal.

Transversalwellen weisen nämlich gegenüber Longitudinalwellen immer eine niedrigere, im Fall von Stahl etwa 45% niedrigere Schallgeschwindigkeit auf. Dies führt nach den Gleichungen V und VI zu einer entsprechend niedrigeren Schallimpedanz von Transversal- gegenüber Longitudinalwellen und damit zu einer entsprechenden Verringerung des Reflexionsfaktors an der Grenzfläche Messzellenwand/Fluid.

Die niedrige Transversalwellen-Geschwindigkeit mit einem flachen Einstrahlwinkel - gegen die Grenzfläche betrachtet bzw. großer Winkel gegen das Lot - bewirkt nämlich theoretisch wie messtechnisch nachweisbar eine beträchtliche Verringerung der resultierenden Schallimpedanzwerte.

Der Unterschied zu dem senkrechten Messverfahren liegt in der Erhöhung des Messeffektes durch das schräge Auftreffen einer Transversalwelle. Bei Stahl ist die akustische Impedanz (longitudinal) ca. 46 kg/m²s, jedoch die transversale nur ca. 25 kg/m²s. Im Falle eines Winkels verringert sich die effektive Impedanz nochmals um ca. cos α. Durch den Einschallwinkel lässt sich die weitest resultierende Impedanz nochmals um etwa 10 bis 15% verringern, sodass bei großem Winkel α in Stahl die messtechnisch relevante Impedanz bei ca. 20-22 kg/m²s liegt.

Der Messeffekt wird ferner vorzugsweise - dadurch erhöht, dass der Schall im Messpfad an des Grenzfläche Messzellenwand/Fluid wenigstens zweimal reflektiert wird, wobei zwischen den beiden Reflexionsstellen zwischen der Messzellenwand und dem Referenzkörper ein Luftspalt zu einer quasi vollständigen Reflexion führt.

Damit wird z. B. ein W-förmiger und damit entsprechend langer Messpfad verwirklicht. Bei konstruktiv geometrischer Auslegung des Ultraschallstrahls einer bestimmten Frequenz ist zwischen einer und mehreren (n) Reflexionsmessstellen zu unterscheiden. Es entstehen also V-, W- oder VW- Reflexionsmessstellen usw. Die Wirkung kommt einer ca. n- fachen Multiplizierung des Reflexionsfaktors gleich, woraus eine entsprechende Erhöhung des Messeffektes resultiert. Die Summierung der vorteilhaften Effekte ist umso bedeutender je weniger sich die Schallimpedanz über den Messbereich der jeweiligen Stoffe verändert. Der Messeffekt ist dabei prinzipiell unabhängig von der Art des Messstoffes. Allerdings wird die Messung umso genauer, je ähnlicher die Schallimpedanz des Messstoffes dem der Messzelle (z. B. Edelstahlrohr, Kunststoffrohr) ist.

Da durch die Krümmung der Messzellenwand bei kleinen Rohrquerschnitten (< 50 mm) die Reflexion des Schallstrahls nicht optimal ausgebildet ist, ist die Wandung der Messzelle im Bereich des Referenzkörpers, also des Messpfades, vorzugsweise eben ausgebildet.

Gemäß der Erfindung ist der Referenzkörper an der Außenwand der Messzelle angeordnet. Er kommt dadurch mit dem Fluid nicht in Berührung. Der Referenzkörper dient der Verbesserung der Genauigkeit der Messung des Reflexionsfaktors, da der Empfangsimpuls aus dieser Signalstrecke unabhängig von der Flüssigkeit ist und nur von der Sendeenergie des Sendeschallwandlers abhängt.

Die Dichte lässt sich aus der Gleichung II mit der zusätzlich zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit des Fluids ermitteln. Die Schallgeschwindigkeit wird vorzugsweise aus dem in die Strömung eindringenden Schallstrahl mit Hilfe eines zusätzlichen Empfangsschallwandlers bestimmt oder aber anhand eines komplett getrennten Messpfades.

Die Messzelle ist vorzugsweise als Messrohr ausgebildet, das von dem Fluid durchströmt wird, dessen Impedanz und daraus die Dichte bestimmt werden soll. Damit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Inline-Dichte-Messung mit hoher Messrate durchgeführt werden.

Wenn die Messzelle als Messrohr ausgebildet ist, weist das Messrohr in dem Bereich, an dem der Referenzkörper angeordnet ist, eine plane Fläche auf, d. h. es kann einen rechteckigen oder ovalförmigen Querschnitt besitzen.

Optional ragen die Reflexionsstellen zwischen der Rohrwand und der Flüssigkeit, die das Rohr durchströmt, in das Rohrinnere hinein. Dazu kann sich ein walmdachförmiger Vorsprung, der in das Rohrinnere ragt, zwischen den Reflexionsstellen an der Rohrinnenseite erstrecken. Durch die in das Rohrinnere ragenden Messstellen wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit Ablagerungen an den Reflexionsstellen entgegengewirkt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch zur Clamp-On- Technik geeignet, d. h. die Messzelle bzw. das Messrohr wird durch das Rohr einer bestehenden Anlage gebildet, an dem der Referenzkörper durch Anklemmen oder dergleichen befestigt wird. Jeder Rohrdurchmesser, auch offene Flächen sind geeignet.

Um Reflektoren in dem Fluid, beispielsweise Gasblasen zu bestimmen, kann ein weiterer piezoelektrischer Empfangsschallwandlers vorgesehen sein, der außerhalb des durch den ersten piezoelektrischen Wandler generierten Schallstrahls angeordnet, jedoch auf den Schallstrahl im Fluid ausgerichtet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aufgrund der ermittelten Dichte bzw. Impedanz des Fluids auch der Massenfluss des Fluids gemessen werden, sofern eine Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist. Diese Einrichtung kann auf der Messung der Laufzeit des Schalls zwischen zwei im Abstand angeordneten piezoelektrischen Wandlern beruhen, vorzugsweise zwischen dem ersten piezoelektrischen Wandler und einem piezoelektrischen Wandler an der gegenüberliegenden Seite des Messrohres.

Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Überwachung der Dichte oder des Massenflusses beim Lackieren dar. So ist die Bestimmung der richtigen Lackmenge und -konsistenz bei der Lackierung von Kraftfahrzeugen von großer Bedeutung.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt die Beschichtung von Filmen oder kosmetischen Oberflächen dar. So ist die Überwachung der Konsistenz einer Flüssigkeit die zur Erstellung einer qualitativ hochwertigen Oberfläche verwendet wird von großer Bedeutung.

Die elektroakustischen Wandler, die erfindungsgemäß verwendet werden, bestehen vorzugsweise aus einer dünnen Platte, aus einem piezoelektrischen Material, die an beiden Seiten mit einem elektrisch leitfähigem Material beschichtet ist. Die Ultraschallfrequenz, die der piezoelektrische Wandler generiert, kann zwischen 20 kHz und 100 MHz und gegebenenfalls Gigahertz betragen. Es können Kristallschwinger, Piezoschwinger und Kunststofffolien z. B. PVDF mit Piezoeffekt für höchste Frequenzen eingesetzt werden. Bei Gasen beträgt die Frequenz vorzugsweise 60-300 kHz, bei Fluiden 1-16 MHz.

Mit dem Empfangsschallwandler werden eine oder mehrere aufeinanderfolgende Impulsspannungen gemessen. Dazu wird der Sendeschallwandler, der einen kurzen Impuls von z. B. 1- 5 Mikrosekunden abgibt, angeregt. Bei dem Empfangsschallwandler kommt nacheinander das Impulssignal über den Referenzpfad und über den Messpfad an. Die Impulssignale können dann hinsichtlich der Spannungshöhe verglichen werden, aber auch hinsichtlich Interferenz und Störungsausbildung.

Optional kann an der Reflexionsstelle im Referenzkörper als auch an der des Messkörpers gegen Luft ein Material aufgebracht werden, dass die Reflexion positiv beeinflusst. Das Material kann beispielsweise ein keramisches Material sein oder ein anderes Material mit hoher Impedanz, beispielsweise Aluminiumoxid. Es kann in Form einer Scheibe oder Platte aufgebracht werden. Durch dieses Material wird eine Amplitudenerhöhung des Referenzsignals erreicht. Ebenso kann in dem Luftspalt zwischen der Messzelle und dem Referenzkörper auf der Reflexionsstelle zwischen der Messzellenwand und dem Luftspalt ein derartiges Material, also beispielsweise Aluminiumoxid aufgebracht werden.

Beispielsweise als Laborausführung kann die Messzelle auch offen ausgebildet sein, gegebenenfalls nur aus einer Messfläche bestehen. Die Bestimmung der Dichte erfolgt dann durch Aufbringung des Fluids auf diese Messfläche, wobei bei einer Flüssigkeit beispielsweise einige Tropfen ausreichen. Wenn der Flüssigkeitstropfen eine Oberfläche bildet, die für die aus der Reflexionsfläche Messzellenwand/Flüssigkeit austretenden Ultraschallwellen reflektierend wirkt, beispielsweise eine glatte und runde oder halbrunde Oberfläche, ist es vorteilhaft, eine Ultraschalldämpfende Schicht, beispielsweise eine Kunststoffplatte, z. B. aus einem fluorhaltigen Polymeren, wie PVDF, in geringem, nicht interferenzbildenden Abstand über der Messfläche anzuordnen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Messrohr nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Variante des Messrohres nach Fig. 1 mit in das Rohrinnere ragenden Reflexionsflächen des Messpfades;

Fig. 3a bis 3c jeweils einen Querschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4a ein Diagramm mit der Referenz-Mess- und Laufzeitamplitude der Impedanzmessung;

Fig. 4b ein Diagramm der Laufzeitmessung;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des Messrohres; und

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 ist seitlich an einem Messrohr 1 ein Referenzkörper 2 angeordnet. Der Referenzkörper 2 weist einen quaderförmigen Hauptabschnitt 3 auf, der in Strömungsrichtung des Fluids, die durch den Pfeil 4 angedeutet ist, an beiden Enden mit einem schrägen Abschnitt 5, 6, versehen ist, der jeweils einen piezoelektrischen Wandler 7 bzw. 8 tragen.

Der erste piezoelektrische Wandler 7 generiert einen Ultraschallimpuls, mit dem einerseits eine Referenzamplitude (A_ref) und andererseits eine Messamplitude (A_mess) gebildet werden (Fig. 4a), die vom zweiten piezoelektrischen Wandler 8 empfangen werden.

Die Referenzamplitude A_ref wird über den Referenzpfad 10 in dem Referenzkörper 2 erhalten, die Messamplitude A_mess über den Messpfad 11 in der Rohrwand 12.

Der Referenzpfad 10 beginnt mit der Wegstrecke 13 von dem Wandler 7 zu der ersten Reflexionsstelle 14 an der Grenzfläche Referenzkörper 2/Messrohr 1, an der die Schallwelle teils in den Referenzkörper 2 reflektiert und teils in die Messrohrwand 12 gebrochen wird. Der an der ersten Reflexionsstelle 14 reflektierte Schall wird an der dem Rohr 1 gegenüberliegenden Seite des quaderförmigen Referenzkörpers 2 an der Reflexionsstelle 16 an der Grenzfläche Referenzkörper 2/Luft zurück zu der Reflexionsstelle 17 an der Grenzfläche Referenzkörper 2/Messrohr 2 reflektiert und von dort zu dem Empfangsschallwandler 8 auf der Wegstrecke 18.

Der Messpfad 11 beginnt wie der Referenzpfad 10 mit der Wegstrecke 13, setzt sich mit dem an der Reflexionsstelle 14 durchgelassenen Schall fort, der an der Reflexionsstelle 20 an der Grenzfläche zwischen dem Messrohr 1 und Fluid 4 an der Rohrinnenwand zu einer Reflexionsstelle 21 reflektiert wird, die an der Rohraußenwand durch eine Grenzfläche zwischen dem Messrohr 1 und Luft gebildet wird, wozu im Bereich der Reflexionsstelle 21 ein Luftspalt durch eine entsprechende Ausnehmung 22 in dem Referenzkörper 2 vorgesehen ist, welcher ansonsten vollflächig an dem Messrohr 1 anliegt.

Der an der Reflexionsstelle 21 reflektierte Schall wird zu der Reflektionsstelle 23 an der Grenzfläche Messrohr 1/Fluid 4 an der Messrohrinnenwand reflektiert und von dort nach Durchgang durch die Reflexionsstelle 17 über die Wegstrecke 18 zu dem Empfangsschallwandler 8.

Damit in der Rohrwand 12 nur noch Transversalwellen vorliegen, ist der Winkel α, zwischen dem Lot auf die Grenzfläche Referenzkörper 2/Rohr 1 und dem Schallstrahl, den der Sendeschallwandler 7 sendet, vorzugsweise größer als α' und kleiner als α", gemäß den vorstehenden Formeln (III) und (IV).

Der Referenzpfad 10 und der Messpfad 11 sind symmetrisch zur Symmetrieebene 25 ausgebildet. Damit werden die Schallwellen im gleichen Winkel α von dem Empfangsschallwandler 8 empfangen.

Wenn das Messrohr 1 aus Edelstahl besteht und der Referenzkörper 2 aus Acrylglas, kann der Winkel α z. B. 45° betragen.

Die Impedanz des Fluids wird gemäß den Gleichungen V und VI aus dem Reflexionsfaktor (dem Verhältnis von A_ref und A_mess) ermittelt.

Es folgt die Messung der Schallgeschwindigkeit auch mit dem piezoelektrischer Wandler 7 und einem weiteren piezoelektrischen Wandler 29 an der gegenüberliegenden Seite des Messrohres. Aus der Impedanz und der Schallgeschwindigkeit kann nun die Dichte des Fluids aus der Gleichung (II) ermittelt werden.

Optional ist zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ein weiterer piezoelektrischer Sendeschallwandler 27 an der einen und ein piezoelektrischer Empfangsschallwandler 28 an der anderen Seite des Messrohres 1 vorgesehen.

Um Reflektoren in dem Fluid 4 in dem Messrohr 1, beispielsweise Gasbläschen in einer Flüssigkeit festzustellen, kann ein weiterer piezoelektrischer Empfangsschallwandler 31 vorgesehen sein, der sich außerhalb des Schallstrahls in dem Messrohr 1 zu dem piezoelektrischen Wandler 29 befindet, jedoch auf den Schallstrahl in dem Fluid 4 ausgerichtet ist. Bei diesem Messpfad wird primär der Dopplereffekt genutzt.

Gemäß Fig. 3a bis 3c weist das Messrohr 1 einen rechteckigen, ovalen oder sechseckigen Querschnitt auf. Das Messrohr 1 kann, wie in Fig. 2a dargestellt, an der Innenseite an dem Reflexionsstelle 19 Messrohrwand 12/Fluid 4 beispielsweise als walmdachförmig ausgebildeter Vorsprung 32 ausgebildet sein, der in das Fluid 4 ragt.

Mit den Sendeschallwandlern 27 und 28 bzw. mit den Sendeschallwandlern 7 und 29 kann zugleich die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 4 bestimmt und damit der Massenfluss des Fluids gemessen werden. Dies erfolgt nach dem Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung.

Der erste piezoelektrische Wandler 7 und der gegenüberliegende Wandler 29 sind vorzugsweise sowohl als Sende- wie als Empfangsschallwandler ausgebildet und werden alternierend auf Senden und Empfangen geschaltet.

Wie das Diagramm in Fig. 4a und 4b zeigt, sind der Referenzpfad 10, des Messpfad 11 und der Pfad zwischen dem ersten Wandler 7 und dem auf der anderen Seite des Messrohres 1 gegenüberliegenden Wandler 29 zur Bestimmung der Laufzeit des Schalls so ausgebildet, dass jeder Schallimpuls in der Zeitmessung amplitudenmäßig erfasst werden kann. Aus der Referenzamplitude A_ref, der Messamplitude A_mess und der Laufzeit (Fig. 4a) kann damit die Dichte und der Massenfluss bestimmt werden. Fig. 4b zeigt also die vom Empfangsschallwandler 8 empfangenen Impulse, und Fig. 4a den vom Empfangsschallwandler 29 empfangenen Impuls.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 unterscheidet sich von den der nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass die beiden piezoelektrischen Ultraschallwandler 34, 35 zur Laufzeitmessung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid 4 vor und nach dem Referenzkörper 2 derart aufeinander ausgerichtet sind, dass ein durch das Messrohr 1 parallel zu dessen Längsachse 36 verlaufender Ultraschallstrahl gebildet wird. Die Ultraschallwandler 34, 35 sind dazu in Strömungskörpern 37, 38 in dem Messrohr 1 angeordnet.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids, mit einer Messwand, einer Einrichtung zur Bestimmung der Schallimpedanz des Fluids mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler, dessen Impuls einerseits zur Bildung einer Referenzamplitude in einem Referenzpfad in einem Referenzkörper an einer Grenzfläche zwischen dem Referenzkörper und der Luft reflektiert wird und andererseits zur Bildung einer Messamplitude in einem Messpfad an der Grenzfläche zwischen Messwand und Fluid teils reflektiert und teils durchgelassen wird, einer Einrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Dichte aus der Schallgeschwindigkeit und aus der aus dem Verhältnis der Referenzamplitude und der Messamplitude erhaltenen Schallimpedanz, wobei der Referenzkörper an der dem Fluid gegenüberliegenden Seite der Messwand anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der eine, erste piezoelektrische Wandler (7) als Sendeschallwandler an dem einen Ende des Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) und ein zweiter piezoelektrischer Wandler(8) als Empfangsschallwandler an dem anderen Ende des Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) derart schräg angeordnet sind, dass der Referenzpfad (10) durch den Weg des an der Grenzfläche Referenzkörper (2)/Messwand (12), Referenzkörper (2)/Luft und Referenzkörper (2)/Messwand (12) reflektierten Schalls und der Messpfad (11) durch den Weg des an der Grenzfläche Referenzkörper (2)/Messwand (12) gebrochenen, an der Grenzfläche Messwand (12)/Fluid (4) reflektierten und an der Grenzfläche Messwand (12)/Referenzkörper (2) gebrochenen Schalls in der Messwand (12) gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des Schalls auf seinem Weg durch den Referenzkörper (2) ungleich der Laufzeit des Schalls auf seinem Weg durch die Messwand (12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schall im Messpfad (11) an der Grenzfläche Messwand (12)/Fluid (4) wenigstens zweimal reflektiert wird, wobei zwischen den beiden Reflektionsstellen (20, 23) zwischen der Messwand (12) und dem Referenzkörper (2) ein Luftspalt (22) zur Bildung einer weiteren Reflektionsstelle (21) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelle des Sendeschallwandlers (7) derart schräg auf die Grenzfläche Referenzkörper (2)/Messwand (12) auftrifft, dass in der Messwand (12) nur noch Transversalwellen vorliegen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwand (12) aus Metall oder glasartigem Kohlenstoff oder Keramik besteht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwand (12) durch die Wand einer Messzelle gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkörper (2) seitlich an der Messzelle angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ein piezoelektrischer Sendeschallwandler (27) an der einen und ein piezoelektrischer Empfangsschallwandler (28) an der anderen Seite der Messzelle vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ein piezoelektrischer Wandler (29) an der dem ersten piezoelektrischen Wandler (7) gegenüberliegenden Seite der Messzelle vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste piezoelektrische Wandler (7) und der gegenüberliegende piezoelektrischer Wandler (29) zum alternierenden Schalten auf Senden und Empfang als Sende- und Empfangsschallwandler ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Reflektoren in dem Fluid ein weiterer piezoelektrischer Empfangsschallwandler (31) vorgesehen ist, der außerhalb des durch den ersten piezoelektrischen Schallwandler (1) in dem Fluid erzeugten Schallstrahl angeordnet und auf den Schallstrahl (32) in dem Fluid (4) ausgerichtet ist, um einen Dopplereffekt zu messen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle als ein von dem Fluid (4) durchströmtes Messrohr (1) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) zur Bildung einer Ebene im Bereich des Referenzkörpers (2) einen mehreckigen oder ovalen Querschnitt aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) aus Stahl oder glasartigem Kohlenstoff besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) aus Stahl und einer Innenschicht aus glasartigem Kohlenstoff besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da durch gekennzeichnet, dass die Reflektionsstelle (n) (19, 20, 23) zwischen der Rohrwand (12) und dem Fluid (4) an einem Vorsprung (32) vorgesehen ist, bzw. sind, welcher in das Messrohr (1) ragt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) durch das Rohr einer bestehenden Anlage gebildet wird und der Referenzkörper (2) an das Rohr befestigbar ausgebildet ist (Clamp-On).

18. Vorrichtung zur Messung des Massenflusses eines Fluids aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und der mit der Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche ermittelten Dichte des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in dem Messohr (1) eine Auswerteschaltung zur Messung der Laufzeit des Schalls zwischen dem ersten piezoelektrischen Wandler (7) und dem auf der anderen Messrohrseite angeordneten piezoelektrischen Wandler (29) vorgesehen ist.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der Dichte und des Massenflusses des Lacks beim Lackieren.

20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der Konsistenz einer Flüssigkeit bei einer Beschichtung von z. B.: Filmen, kosmetischen Oberflächen oder Datenträgern.