DE10235907A1

DE10235907A1 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden

Info

Publication number: DE10235907A1
Application number: DE2002135907
Authority: DE
Inventors: René Dipl.-Ing. Doß (FH); Peter Dipl.-Phys. Seidel
Original assignee: Doß Rene
Current assignee: IP VERWERTUNGS GMBH, 82031 GRUENWALD, DE
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: DE10235907B4

Abstract

Das Patent beschreibt die prinzipielle Messvorrichtung und das dazugehörige Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaft von Fluiden. Die vollständige Zustandsbestimmung ist die Messung der Stoffkenngrößen. Dabei handelt es sich um makroskopische und mikroskopische Kenngrößen. Der thermodynamische Zustand des Fluids ist mit dieser Messvorrichtung kontinuierlich erfassbar. DOLLAR A Das Fluid wird zur Messung in verschiedene Schwingungsmodi versetzt. Jeder Schwingungsmodus hat spezifische Eigenschaften der Ausbreitungs- und Kopplungsfähigkeit. Diese Informationen werden in der Auswertung herangezogen. Zur besseren Unterscheidung der Schwingungsmodi hat der Messaufbau bereits spezifische Ankopplungen und Resonanzen vorgesehen. Die Messvorrichtung reduziert sich zu einem Sensor bzw. einem Sensorsystem, das sehr gut miniaturisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Fluiden. Unter einem Fluid soll hier ein isotroper Stoff, der sich durch die Verschiebbarkeit seiner Moleküle gegeneinander auszeichnet, verstanden werden. Ein Fluid hat daher ein Fließ- bzw. Strömungsverhalten.

Es ist eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung bestimmter physikalischer Eigenschaften von Fluiden bekannt. Im Allgemeinen wird die Reaktion des Fluids auf eine äußere Störung beobachtet. Die äußere Störung und die zugehörige Antwort des Fluids in der beobachteten physikalischen Größe werden in Abhängigkeit von der Zeit aufgenommen. Die Störung kann durch einen definierten Probenkörper erfolgen, oder das Fluid wird zu einer Bewegung in einem Probenvolumen gezwungen. In beiden Fällen wird das Fließverhalten gemessen. Die äußere Störung kann aber auch ein Druck sein, der eine Volumenveränderung bewirkt. Zur Wiederho-lung der Messung sollen die Startbedingungen möglichst identisch wiederhergestellt werden. Daher ist die Wiederholungsrate der auf dieser Grundlage basierenden Methoden durch die Anforderungen an die Reproduzierbarkeit begrenzt. Je geringer der maximal tolerable Messfehler gefordert ist, desto länger dauert der gesamte Messvorgang. Physikalische oder chemische Veränderungen des Fluids können zeitlich nicht unterhalb einer durch die Messanordnung und die Eigenschaften des Fluids gegebenen Schranke aufgelöst werden. Klassische bekannte Varianten sind beispielsweise: Kugelfallviskosimeter, Kapillarviskosimeter, Mohr-Westfalsche Waage, Venturi-Rohr.

Ein bedeutender Schritt ist die Anwendung von mechanischen Schwingungen als äußere Störung, so dass die Messungen kontinuierlich erfolgen können. Beispiele für entsprechende Vorrichtungen und Verfahren finden sich in (Asher, 1997}, (Bode, 1984, 1990) und (Hauptmann, 2000). Diese Verfahren erlauben die Gewinnung einer begrenzten Anzahl von Messgrößen aus dem Messvorgang.

Das Auftreten von Schallwellen ist an Materie geknüpft. Der Schall besteht aus rhythmischen Pendelungen, die durch die elastischen Kräfte, die die Moleküle aufeinander ausüben, zu ihrer Gleichgewichtslage zurückgeführt werden. Eine typische und relativ einfach zu gewinnende Messgröße ist die longitudinale Schallgeschwindigkeit. Über die zusätzliche Bestimmung der akustischen Impedanz kann auf die Dichte des Fluids geschlossen werden.

Die vorstehenden Methoden erlauben aber nicht die vollständige Charakterisierung des thermodynamischen Zustandes des Fluids. Aus einzelnen gewonnenen Messgrößen lässt sich ein Stoff jedoch nicht thermodynamisch voll-ständig charakterisieren (Baehr, 1998). „Eine simultane Messung von Dichte und Schallgeschwindigkeit bei demselben Druck, derselben Temperatur und derselben Zusammensetzung ist aus Gründen der inneren Konsistenz insbesondere bei Gemischen anzustreben." (Kabelac, 1998). Zur vollständigen Bestimmung des thermodynamischen Zustandes des Fluids muss der Mangel an gemessenen physikalischen Kenngrößen durch zusätzliche weitere Messungen kompensiert werden. Durch weitere räumlich und/oder zeitlich getrennte Messungen sind aber wiederum der Detektion physikalischer oder chemischer Veränderungen des Fluids technische Grenzen gesetzt. Zum Anderen bedeuten verschiedene Messverfahren auch einen größeren, insbesondere apparativen Aufwand. Weiterhin bedeuten verschiedene Messverfahren auch unterschiedliche physikalische Randbedingungen für das zu vermessende Fluid. Das Resultat der Messung kann von den physikalischen Randbedingungen abhängig sein.

Die momentane technische Bestrebung geht dahin, die einzelnen Sensoren möglichst dicht in einer Anordnung unterzubringen. Dies bedingt die filigrane Bauweise der einzelnen Sensoren bzw. ihrer Elemente. Beispielsweise wird die Dichte und die Viskosität eines Fluids aus der Änderung der Resonanzfrequenz und der Dämpfung eines einseitig gelagerten Steges in einer Multi-Sensoranordnung bestimmt (Hahn, 2001). Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das aktive Probenvolumen in Abhängigkeit von den Eigenschaften des gemessenen Fluids nicht bzw. schlecht durchströmt werden kann. Der Austausch aus dem Probevolumen mit der Umgebung wird konstruktionsbedingt wegen des aktiven Sensorelementes selbst behindert. Auf zeitlich veränderlichen Eigenschaften des Fluids reagiert dieses Messsystem entsprechend träge. Strömende Medien können aufgrund der filigranen Sensorkonstruktion ebenfalls nur bedingt vermessen werden. Das Verwenden eines filigranen in das Fluid eintauchenden Sensorelementes erschwert auch die Möglichkeit der Reinigung und Wiederverwendung des Sensors. Die gehemmte Durchströmung und der filigrane Aufbau begünstigen die Bildung von Ablagerungen und eine hohe Angriffsfläche und Einwirkungszeit für chemisch aggressive Messmedien. Durch beide Prozesse werden die Randbedingungen der Messung, bzw. die Eigenschaften der Messeinrichtung verändert (Langzeitstabilität, Reproduizerbarkeit), bis hin zum Unbrauchbarwerden des Sensorsystems. Für benetzende, insbesondere hochviskose Medien ist eine kontinuierliche Messung praktisch nicht möglich.

Die bisher bekannten akustischen Messverfahren und -vorrichtungen versagen bei der vollständigen und kontinuierlichen Charakterisierung des ther modynamischen Zustandes des Fluids.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, das die vollständige Bestimmung des thermodynamischen Zustandes in einem kontinuierlichen Messvorgang über eine akustische Mess methode gestattet. Zur Lösung dieser Aufgabe weist das hier ausgewiesene neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung beschrieben.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht in der Anregung von mindestens zwei physikalisch verschiedenen Schwingungsarten und deren Auswertung.

Durch die Verwendung mehrerer Schwingungsarten und/oder geschickt gewählte Anregungssignalformen werden voneinander unabhängige Messgrößen gewonnen. Die thermodynamischen Eigenschaften des Fluids, das hier als homogenes isotropes System, also als Phase behandelt wird, werden durch die Beziehungen zwischen ihrer thermodynamischen Temperatur T, ihrem Druck p (bzw. ihrer Dichte ρ) und ihren spezifischen Zustandsgrößen Volumen V, innere Energie U und Entropie S bestimmt. Zwei dieser fünf Zustandsgrößen sind unabhängige Variable, etwa T und V. Die drei anderen sind mit ihnen durch Materialgesetze verknüpft (Baehr, 1998). Dieses System von Gleichungen kann durch die Messung an mehreren physikalisch verschiedenen Schwingungsarten überbestimmt werden. Der thermodynamische Zustand des Fluids ist somit vollständig und hinreichend genau bestimmbar.

Die Kenntnis des Thermodynamischen Zustandes eines Systems erlaubt die Berechnung aller Stoffkenngrößen und ist daher allgemeiner als die Kenntnis einzelner Stoffparameter. Bei der Anwendung von Werkstoffen kommt es darauf an, wie sich diese Werkstoffe unter äußerer Beanspruchung verhalten. Die Eigenschaften der Werkstoffe werden im entscheidenden Maße durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt, da die Thermodynamik die Wechselwirkung zwischen den Molekülen bzw. den Atomen beschreibt.

Die Wechselwirkungen in den atomaren Größenordungen sind verantwortlich für die Stoffkenngrößen wie z.B. die Kompressibilität κ und die Viskosität η. Die Bestimmung von solchen Stoffkenngrößen ist die Aufgabe der Physikalischen Chemie. Mit der Erfindung dieses Patentes können nun die Fluide mit einer neuen Messmethode charakterisiert werden. Darüber hinaus sind die gewonnenen Informationen aus der Messung so weitreichend, dass der Informationsgehalt bisheriger Messsysteme übertroffen wird.

Die Anwendung des Ultraschalls in der Messtechnik ist nicht neu. Der häufig verwendete Aufbau ist eine definierte Schallstrecke (Hauptmann, 2000). In dieser Schallstrecke befindet sich das Messfluid und es werden meistens zwei Größen (z.B. Schallgeschwindigkeit und Impedanz) gemessen. Dabei ist der Aufbau für eine Messgröße optimiert und die zweite gemessene Größe ist mit einem starken Messfehler behaftet. Mit diesen gewonnenen Kenngrößen ist das Fluid nicht vollständig bestimmt.

Die grundlegenden akustischen Eigenschaften eines Fluids sind bereits in einer einfachen klassischen Theorie gefasst. So kann sich in einem idealen Fluid keine Transversal-Welle ausbreiten. Alle gemessen Schallgeschindigkeiten beziehen sich auf die Longitudinal-Welle.

Hierbei ist γ der Adiabatenkoeffizient, p der vorherrschende Druck und ρ die Dichte des Fluids. Über das Gesetz des idealen Gases pV = nRT kann die Gleichung 1 in eine druckunabhängige Form gebracht werden. Das ist wegen der Druckabhängigkeit der Dichte des Fluids vorteilhaft.

Wobei R die allgemeine Gaskonstante, n die Anzahl der Mole, T die Temperatur und M die molare Masse ist. Zu einer anderen interessanten Darstellung der Gleichung 1 gelangt man über eine aquivalenten Form des Gesetzes des idealen Gases pV = NkT. Dabei ist N die Anzahl der Moleküle und k die Bolzmann- Konstante

Ist die Fluidmasse m aus einer weiteren Messung bekannt, so kann über die Avogado-Zahl die Masse eines Moleküls m_i bestimmt werden. Über die

läßt sich die longitudinale Schallgeschwindigkeit ν_L berechnen.

Der Nachteil dieser Beschreibung liegt in der Verwendung der Modellvorstellung des Idealen Gases. Das Ideale Gas ist wechselwirkungsfrei und besitzt daher keine Viskosität. Strömt ein reales Fluid durch ein Rohr mit dem Radius r so entsteht über der Rohrlänge l eine Druckdifferenz Δp nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille:

Für ein ideales Gas entstünde keine Druckdifferenz Δp. Dabei ist η die dynamische oder Newtonsche Viskosität und eine stoffspezifische Kenngröße für das reale Fluid. Es besteht schon seit langem ein Interesse diese Größe auf einfache Art und Weise zu messen. Einen repräsentativen Meßaufbau beschreibt (Dual, 1988). Hierbei wird die mechanische Schwingung eines Zylinders in einem Fluid gemessen. Die Kenntnis dieser Kenngröße reicht jedoch nicht zur vollständigen Charakterisierung des Fluids aus.

Die allgemeine Beschreibung eines Fluids erfolgt in der klassischen Physik mit Hilfe der Navier-Stockesschen Gleichung

Diese Gleichung beschreibt eine zähe kompressible Flüssigkeit, wobei ζ die zweite Zähigkeit genannt wird. Zusammen mit der Dichte ρ und der Viskosität η hat man somit drei makroskopische Stoffkenngrößen für die Charakterisierung eines Fluids zur Verfügung. Die Navier-Stokessche Gleichung ist eine aufgrund von Modellvorstellungen gewonnene phänomenologische Gleichung und gilt in guter Näherung für reale Fluide. Sie beschreibt jedoch nicht die kennzeichnenden mikroskopischen intermolekularen Wechselwirkungen und erlaubt keine Aussage und keinen Rückschluß über bzw. auf den Thermodynamischen Zustand des Fluid-Systems.

Die Beschreibung eines Thermodynamischen Systemes mit Wechselwirkung erfolgt in der Statistischen Physik über den Hamilton-Operator H des N-Teilchensystems:

Dabei stehen m_i für die Masse der einzelnen Teilchen, p _i für ihre Impulse und r _i für ihre Orte. Das Potential

wird meist durch Modell-Potentiale angenahert etwa durch das Leonard-Jones Potential:

Dieses 2-Teilchen-Wechselwirkungspotential ist vom Abstand r zwischen zwei Teilchen abhängig und besitzt zwei Parameter (A und B), unter deren Kenntnis das Thermodynamische System durch die Berechnung der kanonischen Zustandssumme θ bestimmt wird:

Dabei sind E_i die Energie-Eigenwerte des Hamiltonoperators (Gl. 8),

k steht für die Boltzmannkonstante (k = 1,38E – 23J/K) und T für die Temperatur des Systems. Die Kenntnis der Zustandssumme θ erlaubt die Berechnung aller Thermodynamischen Größen des Systems, z.B.:

Durch Substitution gelangt man dann zur Zustandsgleichung p = p(T, V ) des Thermodynamischen Systems. Auf diesem Wege sind auch die makroskopischen Stoffkenngrößen wie beispielsweise die Wärmekapazität c_ν

oder die Kompressibilität κ (Gleichung 4), oder die thermodynamische Schallgeschindigkeit w₀

über die kanonischen Zustandssumme θ bestimmbar. Äquivalent zur Beschreibung des Thermodynamischen Systems über die Zustandssumme ist die Beschreibung durch die Verteilungsfunktion

Eine beliebige makroskopische Größe X läßt sich als Integral über den Phasenraum Γ beschreiben,

so zum Beispiel auch die Newtonsche Viskosität η

τ ist dabei die Stoßzeit. Diese Gleichung der thermodynamischen Transporttheorie erhält man aus der Boltzmannschen Bewegungsgleichung:

durch teilweises integrieren und einige vereinfachende Annahmen, so dass man zur Navier-Stokesschen Gleichung (Gleichung 7) gelangt.

Offenbar ist die Kenntnis des Thermodynamischen Zustandes eines Systems gleichwertig mit dessen vollständiger Beschreibung und erlaubt zusätzlich Aussagen über alle seine makroskopischen Stoffkenngrößen. Im Beispiel des Lenard-Jones Modellpotentials sind die kennzeichnenden Kenngrößen des Fluids nun (im Gegensatz zu den in Gleichung 7 eingeführten makroskopischen Stoffkenngrößen) die mikroskopischen Teilchenmassen m_i und die Potential-Parameter A und B. Es sind auch andere Potentiale und die Berücksichtigung von Mehrteilchen-Wechselwirkungen (Mayersche Clusterentwicklung) anwendbar. Die makroskopischen Stoffkenngrößen sind prinzipiell temperaturabhängig, während mikroskopische Stoffkenngrößen (zum Beispiel die Teilchenmasse) nicht temperaturabhängig, und damit echte Stoffkenngrößen sind. Aufgrund der Kenntnis der mikroskopischen Stoffkenngrößen sind viel weitreichendere Aussagen über das Fluid als über die Bestimmung einzelner seiner makroskopischer Stoffkenngrößen möglich. Die Temperatur selbst ist erst eine für ein Teilchenensemble definierte makroskopische Größe. Es kann aber zur Überbestimmung des Systems hilfreich sein, die Temperatur des Fluids zu messen. Dies kann beispielsweise mit einem PT100-Temperaturfühler geschehen.

Die periodische Auslenkung der Teilchen im Fluid führt zu einer periodischen Änderung ihrer physikalischen Größen, also ihrer Impulse und Orte. Da die Teilchen über ein Wechselwirkungspotenial miteinander verbunden sind, wirken sie als Gesamtheit der äußeren Einwirkung mit einer durch die Teilchenmasse bestimmten Trägheit entgegen, so dass die Gesamtheit der Teilchen eine makroskopische Viskosität und eine endliche Schallgeschwindigkeit aufweist. Die Kenntnis des Wechselwirkungspotentials ist die Grundlage der Kenntnis des Thermodynamischen Zustandes und läßt die theoretische Berechnung der Stoffkenngrößen wie Schallgeschwindigkeit und Viskosität zu. Zur näherungsweisen Bestimmung des Wechselwirkungspotentials bzw. der Parameter eines Modell-Wechselwirkungspotentials (z.B. A und B des Lenard-Jones-Potentials) kann die Antwortfunktion y(t) auf eine äußere Störung x(t) ausgewertet werden. Dazu werden die Moleküle des Fluids an der Sensoroberfläche aus ihrer Ruhelage ausgelenkt, so dass sie mit ihren nächsten Nachbarn entsprechend des zwischen ihnen wirksamen Potentials wechselwirken und die Charakteristik dieses Potentials sich in der Antwortfunktion wiederspiegelt.

Im Beispiel des harmonischen Potentials

(C ist die Federkonstante) erhielte man die harmonische und lineare Schwingungsgleichung:

wobei

die Resonanzkreisfrequenz ist.

Für ein nichtharmonisches Potential wie das Lenard-Jones Potential treten zusätzliche nichtlineare Terme auf, aus deren Kenntnis auf das zugrundeliegende Wechselwirkungspotential zurückgeschlossen werden kann. Dazu kann zum Beispiel die bekannte oder gemessene Störfunktion x(t) in die Anteile

,

y, y²,.. yⁿ der ebenfalls gemessenen Antwortfunktion y(t) entwickelt werden. Aus den Entwicklungskoeffizienten können dann die Parameter des diesem Schwingungmodus zugrundeliegenden Wechselwirkungspotentials berechnet werden. So erhält man zum Beispiel für die Koeffizienten des Lenard-Jones-Potentials den folgenden Zusammenhang:

Aus dem bekanntem Potential folgen dann über die Zustandssumme die gewünschten Eigenschaften des Fluids.

Eine andere Möglichkeit ist die Auswertung der gemessenen Dispersionsrelationen (vgl. Vollmann, 1996). Vollmann benutzt zur Aufnahme der Antwortfunktion ein kombiniertes Akusto-Optisches (Laser) Messsystem um makroskopische Stoffkenngrößen viskoelastischer Stoffe zu bestimmen. Dabei wird die Ausbreitung verschiedener Wellen in einer Messküvette mit einer Laserabtastung gemessen.

Die Dispersionsrelation geht aus der zugrundeliegenden Schwingungsgleichung (Gleichung 21) hervor. Die Anzahl der Terme in der Schwingungsgleichung hängt von der Komplexität des mechanischen Vermögens des zu untersuchenden Fluids ab. Ein gleichwertige vollständige Beschreibung ist die Laplacetransformierte Schwingungsgleichung und die daraus ermittelte Übertragungsfunktion G(s).

Die frequenzabhänige Impedanzmessung lässt sich in einem Bodediagramm darstellen (6). Das ist eine grafische Darstellung der Übertragungsfunktion G(s) in Amplitude und Phase. Die Information über das untersuchte Fluid ist hier vollständig enthalten. Als mathematisch einfach handhabbare Beschreibung erweisen sich die gebrochenrationalen Funktionen. Deshalb eignet sich eine Anpassung der gemessenen Übertragungsfunktion an eine gebrochenrationale Funktion folgender Form:

Aus den aus der Anpassung bestimmten Null- und Polstellen von G(s) werden die Koeffizienten vor den einzelnen Termen der zugrundeliegenden Schwingungsdifferentialgleichung bzw. Wellengleichung bestimmt. Aus diesen Koeffizienten werden (zum Beispiel über Gleichung 22) die gesuchten physikalischen Eigenschaften des Fluids ermittelt.

Diese Erfindung zeichnet sich somit durch die folgenden Vorteile aus:

– Bestimmung mikroskopischer Stoffkenngrößen und des Thermodynamischen Zustandes des Fluids
– das hier erstmals beschriebene Verfahren und der angegebene apparative Aufbau bieten die Möglichkeit der kontinuierlichen Messung
– Einfachheit des apparativen Aufbaus, dadurch Möglichkeit der einfachen und kostengünstigen Sensor-Herstellung – bei gleichzeitig hoher Genauigkeit
– Miniaturisierbarkeit des Messfühlers und dadurch die Möglichkeit der Vermessung kleinster Probenvolumina
– keine im Fluid befindlichen filigranen Teile der Messvorrichtung, insbesondere keine beweglichen Teile, dadurch verringerte Störanfälligkeit des Sensors
–gute Durchströmbarkeit des Sensors (siehe Konstruktionsbeispiele), so können eventuell vorhandene Gasblasen oder andere Störkörper entweichen, gleichzeitig ist der Sensor leicht zu reinigen, wodurch eventuelle Ablagerungen vermieden werden
– Erzielung chemischer Resistenz durch die Möglichkeit der Beschichtung und chemischen Passivierung des Messfühlers

Beispielsweise bestimmbare Stoffkenngrößen:

– Dichte
– Schallgeschwindigkeit
– Viskosität
– Oberflächenspannung
– Leitfähigkeit
– Kompressibilität
– Entropie

Mögliche Anwendungen der Erfindung sind:

– physikalische Chemie
– Petrolindustrie
– Farbindustrie
– Pharmaindustrie
– Biotechnologie
– Lebensmittelkontrolle
– Überprüfung des Zustandes eines Elektrolyts, beispielsweise in einer Brennstoffzelle
– in situ-Beobachtung von chemischen Reaktionen
– Analysegeräte für Medizintechnik
– Kontrolle von Schmiermitteln

1. Konstruktionsbeispiel nach 2:
Ein Hohlzylinder aus piezokeramischen Material ist mit drei Elektroden in der dargestellten Anordnung versehen. Die Piezokeramik kann wie in der 3 vorpolarisiert werden. Die inhomogene Polarisierung kann gleich bei der Herstellung durch die Anlegung eines inhomogenen elektrischen Feldes erfolgen. Eine andere Möglichkeit ist die spätere lokale Umpolarisation mit einem Laser. Die Vorpolariserung bewirkt eine bessere mechanische Anregung des Zylinders in zwei verschiedenen Schwingungsmodi. Durch die Verwendung der Elektrodenkonfiguration E2-E3 wird der Hohlzylinder in eine radiale Deformation versetzt. Stimmt man die Frequenz der Erregung durch, und misst dabei den elektrischen Leitwert, so bestimmt man die Lage der Eigenfrequenzen, wie in 5 dargestellt. Die Eigenfrequenzen sind äquidistant. Die Differenz zweier Eigenfrequenzen ist abhängig vom Durchmesser D des Zylinders und der longitudinalen Schallgeschwindigkeit υ_L υL = ΔƒD (25) abhängig. Regt man jedoch die Elektrodenkonfiguration E1-E3 an, so erhält man eine Längenänderung des Zylinders. Der Ausdehnung wirkt eine Scherlast durch das mechanisch ankoppelnde Fluid entgegen.
2. Konstruktionsbeispiel nach der 4:
Der in 4 dargestellte Grundkörper besitzt paarweise Spulenkonfigurationen. Die Spulen können mit einem Harz in einem Festkörper eingegossen sein. Vorteilhafterweise wird das Harz mit einem ferromagnetischem Werkstoff angereichert. Zum Beispiel kann hierzu pulverförmiges Bariumferrit in die gewünschte Form gepresstes werden. Dadurch wird der magnetische Fluss in dem Festkörper geführt. Es können nur unwesentliche magnetische Feldlinien durch das Fluid treten.
Durch die Ansteuerung verschiedener Spulenkonfigurationen werden unterschiedliche Schwingungsmodi in dem Messfühler angeregt. Da der Messfühler einen unmittelbaren Kontakt mit dem Fluid hat, nimmt das Fluid einen wesentlichen Einfluss auf die Schwingungseigenschaften.
Beispielsweise wird die Erregungsfunktion in der Spule S1 eingespeist. Durch diese Erregung kommt es zu einer Längenschwingung im Messfühler. Die Spule S2 ist über dem magnetischen Kreis mit der Spule S1 gekoppelt. Die Koppelung wird durch die Länge des magnetischen Kreises beeinflusst. So kann über die gemessene Antwortfunktion an der Spule S2 auf das mechanische Schwingverhalten geschlussfolgert werden. Wird mit einem periodischen Signal angeregt, können durch das Durchstimmen der Frequenz die verschiedenen Schwingungsmodi zwischen den oberen und unteren Grundkörpern gefunden werden. Unter Kenntnis des Abstandes des oberen und unteren Grundkörpers wird die longitudinale Schallgeschwindigkeit υ_L bestimmt.
Der untere bzw. obere Grundkörper kann zu einer radialen Grundschwingung (siehe 1(e)) mit den Spulen S3 und S4 angeregt werden. Die eine Spule wird dabei mit einem Gleichstrom und die andere mit einem Wechselstrom durchflossen. Es wird die Spulenimpedanz frequenzabhängig bestimmt. Da das Fluid die auftretenden Scherkräfte beeinflusst, ist die Spulenimpedanz von dem Fluid abhängig. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ƒ₀, bezüglich Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Fluids, ergibt sich nach der folgenden Formel:
Dabei ist W eine für den Messfühler spezifische Konstante. Wird die Spulenimpedanz über einen großen Frequenzbereich bestimmt, kann hieraus auch die Dispersionsrelation bestimmt werden. Das führt zur vollständigen thermodynamischen Bestimmung des Fluids.
3 Literatur

– Asher, R.C.: 1997. Ultrasonic Sensors for Chemical and Process Plant. Institute of Physics Publishing. Bristol and Philadelphia
– Baehr, H.D.: 1998. Thermodynamische Fundamentalgleichungen und charakteristische Funktionen. Vol. 64 Forschung im Ingenieurwesen Seiten 35-43 Springer
– Bauer, H.F., Eidel, W.: 1997. Axisymmetric oscillations in a slowly rotating cylindrical container filled with viscous liquid. Vol. 63 Forschung im Ingenieurwesen Seiten 215-223 Springer
– Behrends, R.: 1999. Scherimpedanzspektroskopie und breitbandige Ultraschallspektroskopie an flüssigen Alkoholen, Alkanen und Alkenen. Diss. Göttingen
– Bode, B.: 1984. Entwicklung eines Quarzviskosimeters für Messungen bei hohen Drücken. Diss. Clausthal
– Bode, B.: 1990. Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Viskosität von Fluiden. DE 40 13 980 A1
– Brand 5., Koppi, A.: Sensoren für Viskosität, Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit (Infoblatt) Fraunhoferinstitut Mikroelektronische Schaltungen und Systeme
– Davies, J.R., Tapson, J., Mortimer, B.J.P.: 2000. A novel phase locked cavity resonator for B/A measurements in fluids. Vol. 38 Ultrasonics Seiten 284-291 Elsevier
– Dual, J. et al: 1988. Viskosimeter. EP 0297032
– Hahn et al: 2001. Sensor in particular for measuring the viscosity and density of a medium. US 6269686 B1
– Hauptmann, P. et al: 2000. In-line concentration measurement in complex liquids using ultrasonic sensors. Vol. 38 Ultrasonics Seiten 799-803 Elsevier
– Kabelac, S.: 1998. Die Schallgeschwindigkeit als thermodynamische Zustandsgröße. Vol. 64 Forschung im Ingenieurwesen Seiten 47-54 Springer
– Kinder et al: 2000. Fundamentals of Acoustics. Fourth Edition. John Wiley & Sons
– Povey, M.J.W.: 1997. Ultrasonic techniques for fluids characterization. Academic Press. London.
– Vollmann, J.: 1996. Wave Propagation in Viscoelastic and Anisotropic, Cylindrical Structure. Diss. ETH Zürich
– Wunn, T.: 1999. Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten insbesondere Mineralölen. DE 199 02 991 C1

Claims

Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Fluiden, gekennzeichnet durch – die Verwendung eines oder mehrerer Schwinger – piezoelektrische oder magnetische Anregung – im mechanischen Kontakt mit dem Fluid – die Bestimmung des thermodynamischen Zustandes oder/und mechanischer Stoffkenngrößen des untersuchten Fluids. (Anregungsart)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei physikalisch verschiedenen Schwingungsmodi durch mindestens eine Testfunktion angeregt und die zugehörigen Antwortfunktionen gemessen und ausgewertet werden oder dass von mindestens einem Schwingungsmodus über einen Frequenzbereich die Dispersionsrealtion gemessen wird.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass vorteilhafterweise als Testfunktionen – gepulste Signale oder – gewobbelte Signale oder – periodische Signale oder – kontinuierliche Schwingungen oder – Sprungfunktionen (Heaviside- oder Dirac-Impuls) verwendet werden. (Signalauswertung)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – Rauschen zur Erregung verwendet wird – die Antwort in einem Bildbereich mit Hilfe der Fourier- oder Laplace- oder Hilberttransformation abgebildet wird und aus der Antwortfunktion im Bildbereich die gesuchten Parameter des Fluids bestimmt werden.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Künstliches Neuronales Netz nach einer Kalibrations- und Anlernphase die gesuchten Parameter des Fluids aus der vorliegenden Antwortfunktion extrahiert.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Künstliches Neuronales Netz zur Signaloptimierung verwendet wird.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Neuronale Netz zur Signaloptimierung die Testfunktion zur Anregung variiert oder die Parameter einer Testfunktion (zum Beispiel Erregeramplitude, Frequenz, oder die Pulsdauer) variiert. (Messaufbau)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Teil des verwendeten Sensors ein Hohlkörper-Schwinger mit mindestens einem Hohlraum ist.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung zur Verbesserung der akustischen Anpassung auf der Körperoberfläche aufgebracht ist. (Piezo-Aufbau)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Piezoelektrische Schwinger ein Hohlkörper mit mindestens drei Elektroden und beliebiger Anregungsart ist.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Hohlraum-Piezoelektrischen Schwingers mit nur zwei Elektroden und mindestens zwei verschiedener sich abwechselnder Anregungsarten aus Anspruch 3 ist.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramik, zur Anregung verschiedener physikalischer Schwingungsmodi, inhomogen vorpolarisiert ist.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der Testfunktion und zur Aufnahme der Antwortfunktion verschiedene Elektroden genutzt werden.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von unterschiedlich vorpolarisierten Piezoelektrischen Scheibchen-Schwingern.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrisch isolierende und chemisch gegen das zu vermessende Fluid resistente Beschichtung sich auf der Elektrodenoberfläche befindet. (magnetischer Aufbau)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanregung elektromagnetisch erfolgt.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Fluss durch ferro- oder ferrimagnetische Werkstoffe geführt wird.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen zur elektromagnetischen Schwingungserzeugung in einer Hohlkörperform eingebettet sind.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinkopplung beziehungsweise -auskopplung der verschiedenen Schwingungsmodi sowohl piezoelektrisch als auch elektromagnetisch erfolgt. (Messauswertung)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unabhängigen Zustandsparameter aus den Antwortfunktionen der einzelnen Schwingungsmodi direkt oder durch eine Kurvenanpassung an die Antwortfunktion oder Teile von ihr bestimmt werden. (Bestimmungsgrößen)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass stoffliche Größen, wie Dichte, Kompressibilität, Wärmeleitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit, oder Viskosität bestimmt werden.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der thermodynamische Zustand über die thermodynamischen Zustandsgrößen, wie Entropie, innere Energie, Schallgeschwindigkeit, Temperatur und Druck bestimmt wird. (Messaufbau Resonator)
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoelektrische Schwinger als Hohlraum-Resonator ausgebildet ist.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Ansprüchen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der folgenden Schwingungsmodi zur Anwendung kommen: – radial (Volumenwelle im Messmedium) – axial – toroidal (Oberflächen- oder Lovewelle) – Biegeschwingung – Scherwelle
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der angeregten Schwingungsmodi die Frequenz durchgestimmt wird und die Antwort frequenzabhängig aufgenommen wird.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenzen des Resonators bestimmt werden.
Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Fluiden nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die longitudinale Schallgeschindigkeit aus der Lage der Eigenfrequenzen des Radialschwingungsmodus und den mechanischen Abmessungen des Resonators bestimmt wird und die Tangentialspannung aus der ermittelten Dämpfung oder der axialen Eigenfrequenz ermittelt wird.