DE10326078A1 - Method for measuring the acoustic impedance of a fluid - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit, insbesondere für die Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit, bei dem ein Ultraschallwandler in die Flüssigkeit eingebracht, ein oder mehrere Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers in der Flüssigkeit gemessen und die akustische Impedanz der Flüssigkeit aus den gemessenen Resonanzfrequenzen bestimmt wird. Das vorliegende Verfahren ermöglicht die genaue Bestimmung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit sowie in Verbindung mit einer Ultraschall-Laufzeitmessung auch eine Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit.The present invention relates to a method for measuring the acoustic impedance of a liquid, in particular for determining the density of the liquid, wherein an ultrasonic transducer introduced into the liquid, one or more resonant frequencies of the ultrasonic transducer measured in the liquid and the acoustic impedance of the liquid from the measured resonance frequencies is determined. The present method enables the accurate determination of the acoustic impedance of a liquid and, in conjunction with an ultrasonic transit time measurement, also a determination of the density of the liquid with high accuracy.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit, insbesondere für eine Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit.The The present invention relates to a method for measuring the acoustic Impedance of a fluid, especially for a determination of the density of the liquid.

Die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten ist in vielen technischen Bereichen erforderlich. So stellt sich beispielsweise in der Umweltphysik das Problem, die Dichte von Wasser in Seen in Abhängigkeit von der Tiefe mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Auch zur Charakterisierung flüssiger Systeme in der Lebensmittel- und der chemischen Industrie spielt die Bestimmung der Dichte eine wichtige Rolle. Herkömmliche Dichte-Messverfahren durch Einsatz von Aräometern oder Pyknometern eignen sich in diesen Bereichen kaum.The Determination of the density of liquids is required in many technical fields. That's how it turns out For example, in environmental physics the problem is the density of water in lakes depending on to determine from the depth with high accuracy. Also for characterization liquid Systems in the food and chemical industries play the determination of density plays an important role. conventional Density measurement method by use of anaerometers or pycnometers suitable barely in these areas.

Die Dichte einer Flüssigkeit ρF ist der Quotient aus ihrer akustischen Impedanz IF und ihrer Schallgeschwindigkeit vF, ρF = IF/VF. The density of a liquid ρ F is the quotient of its acoustic impedance I F and its velocity of sound v F , ρ F = I F / V F ,

Durch Messung dieser beiden Größen wird somit ebenfalls die Dichtebestimmung von Flüssigkeiten ermöglicht. Die Messung der Schallgeschwindigkeit ist heutzutage mit sehr hoher Genauigkeit, bspw. über Ultraschall-Laufzeitverfahren, möglich. Die akustische Impedanz bestimmt an der Grenzfläche zwischen zwei Medien das Transmissions- und Reflexionsverhalten. Bekannte Messverfahren für die akustische Impedanz beruhen daher auf der Amplitudenmessung von transmittierten und reflektierten Schallsignalen. Diese Messverfahren, die bisher auch für die tiefenaufgelöste Bestimmung der Dichte von Wasser in Seen eingesetzt werden, weisen jedoch für diese Anwendung keine ausreichende Genauigkeit auf.By Measurement of these two sizes will be thus also the density determination of liquids possible. The measurement of the speed of sound is very high these days Accuracy, for example, about Ultrasonic transit time method, possible. The acoustic impedance determines at the interface between two media Transmission and reflection behavior. Known measuring methods for the acoustic Impedance therefore based on the amplitude measurement of transmitted and reflected sound signals. These measurement methods, so far also for the deep-resolved Determining the density of water used in lakes however for this application does not have sufficient accuracy.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit, anzugeben, das eine Messung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.The The object of the present invention is a method for measuring the acoustic impedance of a liquid, in particular for Determination of the density of the liquid, indicate that enables a measurement with high accuracy.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The Task is solved by the method according to claim 1. advantageous Embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be understood from the following description and the embodiment remove.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit wird ein Ultraschallwandler in die Flüssigkeit eingebracht und ein oder mehrere Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers in der Flüssigkeit gemessen. Aus den gemessenen Resonanzfrequenzen wird dann die akustische Impedanz der Flüssigkeit bestimmt. Als Ultraschallwandler können dabei bspw. piezoelektrische Wandler oder Biegeschwinger eingesetzt werden. Im Prinzip ist für die Messung jeder Wandler einsetzbar, dessen Resonanzen von dem umgebenden Medium abhängen und der Resonanzstellen mit genügend hoher Güte besitzt, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erreichen.at the present method for measuring the acoustic impedance a liquid an ultrasonic transducer is introduced into the liquid and a or a plurality of resonance frequencies of the ultrasonic transducer in the liquid measured. From the measured resonance frequencies then the acoustic impedance the liquid certainly. As an ultrasonic transducer can, for example, piezoelectric Transducer or bending vibrator can be used. In principle, for the measurement each transducer can be used, its resonances from the surrounding medium depend and the resonance points with enough high quality owns to the desired measurement accuracy to reach.

Hierbei wird zur Bestimmung der akustischen Impedanz ausgenutzt, dass die Umgebung, in der sich Ultraschallwandler befinden, ihr Schwingungsverhalten beeinflusst. Die Resonanzfrequenzen der Ultraschallwandler verschieben sich in Abhängigkeit von den Materialparametern des umgebenden Mediums. Dieser Zusammenhang kann quantitativ abgeleitet werden, so dass aus den gemessenen Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers sowie seinen mechanischen, elektrischen und geometrischen Eigenschaften die akustische Impedanz der Umgebung berechnet werden kann. So liefern bei Einsatz eines piezoelektrischen Wandlers auf den piezoelektrischen Grundgleichungen basierende theoretische Berechnungen, die die Stetigkeit der mechanischen Verschiebungen und Spannungen an den Wandleroberflächen ausnutzen, einen Zusammenhang zwischen der akustischen Impedanz der umgebenden Flüssigkeit und der Resonanzfrequenz. Aus dieser Relation kann die akustische Impedanz der Flüssigkeit bestimmt werden.in this connection is used to determine the acoustic impedance that the Environment in which ultrasonic transducers are, their vibration behavior affected. Move the resonance frequencies of the ultrasonic transducers in dependence from the material parameters of the surrounding medium. This connection can be derived quantitatively, so that from the measured resonance frequencies of the ultrasonic transducer and its mechanical, electrical and geometric properties of the acoustic impedance of the environment can be calculated. To deliver when using a piezoelectric Converter based on the piezoelectric fundamental equations theoretical Calculations showing the continuity of mechanical shifts and voltages on the transducer surfaces exploit a relationship between the acoustic impedance of the surrounding fluid and the resonant frequency. From this relation, the acoustic impedance of the fluid can be determined.

Die Bestimmung der akustischen Impedanz kann beim vorliegenden Verfahren durch eine entsprechende Berechnung nach Erhalt der gemessenen Resonanzfrequenzen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, für jeden eingesetzten Wandler bereits Vorberechnungen von akustischen Impedanzen für unterschiedliche Resonanzfrequenzen durchzuführen und in einer Tabelle abzuspeichern, so dass dann durch Vergleich der gemessenen Resonanzfrequenzen mit den Tabellenwerten direkt die akustische Impedanz erhalten werden kann.The determination of the acoustic impedance can in the present method by a corre sponding calculation after receipt of the measured resonance frequencies. However, it is also possible to carry out preliminary calculations of acoustic impedances for different resonance frequencies for each transducer used and to store them in a table so that the acoustic impedance can then be obtained directly by comparing the measured resonance frequencies with the table values.

Vorzugsweise erfolgt die Messung der Resonanzfrequenzen durch eine Messung des elektrischen Widerstandes des in die Flüssigkeit eingebrachten Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz der den Wandler anregenden Wechselspannung. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Messung durch eine Messung der Schwingungsamplitude des Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz der anregenden Wechselspannung. Hierbei können jeweils ein oder mehrere Resonanzfrequenzen bestimmt werden. Die Bestimmung und Auswertung mehrerer Resonanzfrequenzen erhöht die Messgenauigkeit des Verfahrens. Die Messgenauigkeit wird vor allem durch die Güte des eingesetzten Wandlers beeinflusst. Ein Ultraschallwandler höherer Güte weist schärfere Resonanzen auf, die somit genauer bestimmt werden können.Preferably the measurement of the resonance frequencies is carried out by a measurement of the electrical resistance of the introduced into the liquid ultrasonic transducer as a function of the frequency of the alternating voltage exciting the converter. In an alternative embodiment, the measurement is performed by a Measurement of the vibration amplitude of the ultrasonic transducer as a function the frequency of the exciting alternating voltage. This can each one or more resonant frequencies are determined. The determination and evaluation of several resonant frequencies increases the measurement accuracy of the Process. The measuring accuracy is mainly due to the quality of the used Transformer influenced. An ultrasonic transducer of higher quality has sharper resonances on, which can thus be determined more accurately.

Zur Bestimmung der Dichte wird neben der Messung der Resonanzfrequenzen auch die Ultraschalllaufzeit in der Flüssigkeit gemessen. Aus den beiden Größen, der akustischen Impedanz und der ebenfalls mit hoher Genauigkeit messbaren Schallgeschwindigkeit, lässt sich dann unmittelbar die Dichte der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit bestimmen.to Determination of density is in addition to the measurement of resonance frequencies also measured the ultrasonic transit time in the liquid. From the both sizes, the acoustic impedance and also measurable with high accuracy Speed of sound, lets Then immediately the density of the liquid with high accuracy determine.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Die Durchführung des vorliegenden Verfahrens, insbesondere die Bestimmung der akustischen Impedanz der Flüssigkeit aus den gemessenen Resonanzfrequenzen, wird nachfolgend anhand eines Beispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The execution of the present method, in particular the determination of the acoustic Impedance of the liquid from the measured resonant frequencies, is below using a Example in conjunction with the figures explained in more detail. in this connection demonstrate:

1 ein Beispiel für eine Messanordnung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens; und 1 an example of a measuring arrangement for carrying out the present method; and

2 eine Prinzipskizze eines piezoelektrischen Dickenschwingers in einer Flüssigkeit. 2 a schematic diagram of a piezoelectric thickness vibrator in a liquid.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

Beim vorliegenden Verfahren wird der Ultraschallwandler 1 zunächst in die Flüssigkeit 2 eingetaucht, wie dies stark schematisiert in der 1 zu erkennen ist. Dann wird der Ultraschallwandler 1 über ein Impedanzmessgerät 3 zur Messung elektrischer Widerstände mit einer elektrischen Wechselspannung U der Amplitude U0 und der Kreisfrequenz ω beaufschlagt und dadurch zu Dickenschwingungen angeregt. Im vorliegenden Beispiel kommt ein Dickenschwinger aus Bleimetaniobat mit den Abmessungen 22 × 12 × 0,3 mm als Ultraschallwandler zum Einsatz. Durch Verändern der Anregungsfrequenz f = ω/2π wird mit dem Impedanzmessgerät 3 die elektrische Impedanz in einem vorgegebenen Frequenzintervall gemessen. Die Messwerte werden an eine Auswerteeinheit 4 weitergeleitet, die aus dem Verlauf des Betrages der gemessenen elektrischen Impedanz als Funktion der Anregungsfrequenz die akustische Impedanz der Flüssigkeit berechnet. Im vorliegenden Beispiel wird hierzu die Lage der Serien- und der Parallelresonanz, d. h. die Lage von Minima und Maxima der Impedanzbetragskurve, im Bereich der Grundresonanz der Dickenschwingung ausgewertet, wie im Folgenden näher ausgeführt wird. Die Detektion dieser Extremwerte wird durch die Auswerteeinrichtung 4 automatisiert durchgeführt.In the present method, the ultrasonic transducer 1 first in the liquid 2 immersed, as this is highly schematic in the 1 can be seen. Then the ultrasonic transducer 1 via an impedance meter 3 for measuring electrical resistances with an alternating electrical voltage U of the amplitude U 0 and the angular frequency ω applied and thereby excited to thickness oscillations. In the present example, a thickness oscillator made of lead metaniobate with the dimensions 22 × 12 × 0.3 mm is used as ultrasonic transducer. By changing the excitation frequency f = ω / 2π is with the impedance meter 3 measured the electrical impedance in a given frequency interval. The measured values are sent to an evaluation unit 4 which calculates the acoustic impedance of the fluid from the course of the magnitude of the measured electrical impedance as a function of the excitation frequency. In the present example, the position of the series resonance and the parallel resonance, ie the position of minima and maxima of the impedance-magnitude curve, is evaluated in the region of the fundamental resonance of the thickness oscillation, as will be explained in more detail below. The detection of these extreme values is performed by the evaluation device 4 automated.

2 zeigt eine Prinzipskizze eines für das Verfahren eingesetzten piezoelektrischen Dickenschwingers 1 in einer Flüssigkeit 2. Bei der hier aufgeführten Ableitung des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Resonanzfrequenzen und der akustischen Impedanz der Flüssigkeit wird angenommen, dass die Dicke des Piezowandlers 1 klein ist im Vergleich zu seinem Durchmesser, so dass die Berechnungen zur Veranschaulichung in guter Näherung eindimensional durchgeführt werden können. 2 dient hierbei als Grundlage für die Berechnungen. Kommen Wandler mit anderen geometrischen Eigenschaften oder z.B. auch Biegeschwinger zum Einsatz, sind entsprechende den Gegebenheiten angepaßte Ableitungen des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Resonanzfrequenzen und der akustischen Impedanz der umgebenden Flüssigkeit erforderlich. 2 shows a schematic diagram of a piezoelectric thickness vibrator used for the method 1 in a liquid 2 , In the derivation of the relationship between the measured resonance frequencies and the acoustic impedance of the liquid, it is assumed that the thickness of the piezoelectric transducer 1 is small in comparison to its diameter, so that the calculations for illustration can be made in a one-dimensional manner to a good approximation. 2 serves as the basis for the calculations. If transducers with other geometric properties or, for example, flexible oscillators are used, appropriate derivations of the relationship between the measured resonance frequencies and the acoustic impedance of the surrounding fluid adapted to the circumstances are required.

Der piezoelektrische Ultraschallwandler 1 der Dicke d mit den Materialparametern Dichte ρP, longitudinale Schallgeschwindigkeit vP, Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εP S und piezoelektrische Deformationskonstante hP wird in die Flüssigkeit 2 der Dichte ρF und der Schallgeschwindigkeit vF gehängt. Über Elektroden auf Wandlerober- und -unterseite wird mit der elektrischen Wechselspannung der Amplitude U0 und Kreisfrequenz ω U = U0e–iωt (2)der Wandler 1 zu Dickenschwingungen angeregt. Messungen des elektrischen Widerstandes des Wandlers oder der Amplitude seiner Dickenschwingungen als Funktion der Frequenz f = ω/2π der anregenden Spannung liefern die entsprechenden Resonanzfrequenzen.The piezoelectric ultrasonic transducer 1 the thickness d with the material parameters density ρ P , longitudinal sound velocity v P , dielectric constant at constant distortion ε P S and piezoelectric Deformation constant h P is in the liquid 2 the density ρ F and the speed of sound v F hanged. About electrodes on Wandlerober- and -unterseite is with the electrical AC voltage of the amplitude U 0 and angular frequency ω U = U 0 e -iωt (2) the converter 1 excited to thickness vibrations. Measurements of the electrical resistance of the transducer or the amplitude of its thickness vibrations as a function of the frequency f = ω / 2π of the exciting voltage provide the corresponding resonant frequencies.

Ausgangspunkt für die Berechnungen sind die piezoelektrischen Grundgleichungen, hier zur Beschreibung der Dickenschwingungen im eindimensionalen Fall,

Figure 00070001
The starting point for the calculations are the piezoelectric basic equations, here for the description of the thickness vibrations in the one-dimensional case,
Figure 00070001

Der Index j kennzeichnet, in welchem der Materialien, Flüssigkeit F oder Piezowandler P, die Größen gelten sollen. Tj ist die mechanische Spannung, Sj die Verzerrung, uj die mechanische Verschiebung, Dj die dielektrische Verschiebung und Ej das elektrische Feld im Wandler 1 bzw. der umgebenden Flüssigkeit 2. Die Materialparameter sind die elastische Konstante bei konstanter dielektrischer Verschiebung cj D, die Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εj S und die piezoelektrische Deformationskonstante hj. Die elastische Konstante cj D und die akustische Impedanz Ij sind mit der Dichte ρj und (longitudinaler) Schallgeschwindigkeit vj verknüpft, cj D = ρjvj 2, Ij = ρjvj. (5) The index j indicates in which of the materials, liquid F or piezoproducer P, the quantities are to apply. T j is the stress, S j is the distortion, u j is the mechanical displacement, D j is the dielectric displacement, and E j is the electric field in the transducer 1 or the surrounding liquid 2 , The material parameters are the elastic constant at constant dielectric displacement c j D , the dielectric constant at constant distortion ε j S and the piezoelectric deformation constant h j . The elastic constant c j D and the acoustic impedance I j are associated with the density ρ j and (longitudinal) sonic velocity v j , c j D = ρ j v j 2 , I j = ρ j v j , (5)

In der nicht-piezoelektrischen Flüssigkeit 2 ist die piezoelektrische Deformationskonstante hF gleich Null, und die elastische Konstante cF ist die Gleiche für konstante dielektrische Verschiebung D und konstantes elektrisches Feld E.In the non-piezoelectric fluid 2 is the piezoelectric deformation constant h F equal to zero, and the elastic constant c F is the same for constant dielectric displacement D and constant electric field E.

Die elektrische Spannung erzeugt Dickenschwingungen des Wandlers, die mit vorwärts und rückwärts laufenden mechanischen Verschiebungswellen im Wandler

Figure 00080001
beschrieben werden können. Der schwingende Wandler strahlt in die umgebende Flüssigkeit vorwärts und rückwärts laufende Wellen ab,
Figure 00080002
The electrical voltage generates thickness vibrations of the transducer, with forward and reverse mechanical displacement waves in the transducer
Figure 00080001
can be described. The vibrating transducer radiates forward and backward waves into the surrounding fluid,
Figure 00080002

Aus Symmetriegründen müssen die vorwärts und rückwärts abgestrahlten Amplituden gleich sein, d.h. |AF| = |BF|.For symmetry reasons, the forward and backward radiated amplitudes must be equal, ie, | A F | = | B F |.

Die mechanischen Verschiebungen und Spannungen sind an den Wandleroberflächen stetig,

Figure 00080003
The mechanical displacements and stresses are continuous at the transducer surfaces,
Figure 00080003

D0 ist die komplexe Amplitude der dielektrischen Verschiebung DP = D0e–iωt. Aus diesen Randbedingungen folgen die komplexen Amplituden der mechanischen Verschiebungen AF, BF, AP und BP relativ zu der komplexen Amplitude der dielektrischen Verschiebung D0 zu

Figure 00090001
D 0 is the complex amplitude of the dielectric displacement D P = D 0 e -iωt . From these boundary conditions, the complex amplitudes of the mechanical displacements A F , B F , A P and B P follow relative to the complex amplitude of the dielectric displacement D 0
Figure 00090001

Das elektrische Feld im Wandler 1 über die Wandlerdicke integriert ist gleich der angelegten Spannung,

Figure 00090002
The electric field in the converter 1 integrated across the transducer thickness is equal to the applied voltage,
Figure 00090002

Dies liefert mit der piezoelektrischen Grundgleichung (4) einen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und mechanischen Schwingungen des Wandlers 1,

Figure 00090003
This provides a relationship between applied voltage and mechanical vibrations of the transducer with the piezoelectric basic equation (4) 1 .
Figure 00090003

Der totale Strom J berechnet sich aus der Ableitung der dielektrischen Verschiebung und der Wandlerfläche F zu

Figure 00100001
und man erhält aus den Gleichungen (11) und (12) den komplexen Widerstand des Wandlers 1
Figure 00100002
wenn gleichzeitig die Ergebnisse aus den Gleichungen (9) eingesetzt werden. Seine Amplitude AR(ω) und Phase φR(ω) sind durch
Figure 00100003
gegeben. Die Einführung normierter Größen vereinfacht die Darstellung erheblich. Mit
Figure 00100004
erhält man für das Quadrat der Amplitude des normierten Widerstandes
Figure 00110001
The total current J is calculated from the derivative of the dielectric displacement and the transducer area F
Figure 00100001
and from equations (11) and (12) one obtains the complex resistance of the transducer 1
Figure 00100002
if at the same time the results from equations (9) are used. Its amplitude A R (ω) and phase φ R (ω) are by
Figure 00100003
given. The introduction of standardized sizes simplifies the presentation considerably. With
Figure 00100004
one obtains for the square of the amplitude of the normalized resistance
Figure 00110001

Die Resonanzen sind lokale Minima (Serienresonanz) und Maxima (Parallelresonanz) der Amplitude. Aus

Figure 00110002
folgt die Bestimmungsgleichung der Resonanzfrequenzen zu
Figure 00110003
The resonances are local minima (series resonance) and maxima (parallel resonance) of the amplitude. Out
Figure 00110002
follows the equation of determination of the resonance frequencies
Figure 00110003

Diese letzte Gleichung wird nach IQ aufgelöst und zur Bestimmung der akustischen Impedanz der Umgebungsflüssigkeit 2 auf Basis der gemessenen Resonanzfrequenzen eingesetzt. Die Berechnung wird durch die in 1 dargestellte Auswerteeinrichtung 4 vorgenommen. Als Eingangsgrößen werden hierbei die geometrischen Abmessungen des Wandlers 1 sowie die vorangehend angegebenen Materialparameter Dichte ρ, longitudinale Schallgeschwindigkeit v, Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εS, piezoelektrische Deformationskonstante h sowie die elastische Konstante bei konstanter dielektrischer Verschiebung cD benutzt. Diese müssen für den eingesetzten Wandler 1 bekannt sein.This last equation is resolved after I Q and used to determine the acoustic impedance of the ambient fluid 2 used on the basis of the measured resonance frequencies. The calculation is done by the in 1 illustrated evaluation device 4 performed. The input variables are the geometrical dimensions of the transducer 1 as well as the above-mentioned material parameters density ρ, longitudinal speed of sound v, dielectric constant at constant distortion ε S , piezoelectric deformation constant h and the elastic constant at constant dielectric displacement c D used. These must be for the converter used 1 be known.

Wird bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens nicht die elektrische Impedanz, sondern die Amplitude der Dickenschwingungen des Wandlers als Funktion der Anregungsfrequenz gemessen, so wird bei der Berechnung berücksichtigt, dass die Dickenschwingung des Wandlers die Differenz der Verschiebung an den beiden Oberflächen ist:

Figure 00120001
If, in the implementation of the present method, it is not the electrical impedance but the amplitude of the transducer's thickness oscillations which is measured as a function of the excitation frequency, then the calculation takes into account that the thickness of the transducer is the difference between the displacement on the two surfaces:
Figure 00120001

Amplitude, Phase und Resonanzfrequenzen sind dabei analog zu den Rechnungen für den komplexen Widerstand zu bestimmen. Aus den Gleichungen ist zu ersehen, dass die Resonanzen des elektrischen Widerstandes nicht gleich denen der Dickenschwingung sind, diese aber natürlich miteinander zusammenhängen.Amplitude, Phase and resonance frequencies are analogous to the calculations for the to determine complex resistance. It can be seen from the equations that the resonances of the electrical resistance are not equal to those the thickness of vibration, but of course, these are related to each other.

Eine Erweiterung der Rechnungen zur Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen kann durch Einbeziehung von Rückkoppeleffekten der elektrischen Spannungsquelle erfolgen. Diese Erweiterung lässt sich für den Fachmann ebenso problemlos analytisch durchführen. Hierzu wird bspw. auf S. Hirsekorn et al., „Modeling of Graded 1–3 Composite Piezoelectic Transducers", Proc. of the 5th International Symposium on Functionally Graded Material, Dresden, Oct. 26–29, 1998, Trans. Tech. Publications, Switzerland, Materials Science Forum Vols. 308–311 (1999), Seiten 521–526, oder auf S. Hirsekorn et al., „Modellierung der Eigenschaften von piezoelektrischen Keramik-Kunststoff-Kompositen mit Materialgradienten für den Bau von Ultraschall sensoren", DGZfP-Jahrestagung 1999, Berichtsband 68.1, DGZfP, Berlin (1999), Seiten 337–347, verwiesen.An extension of the calculations for determining the acoustic impedance from the measured resonance frequencies can be done by incorporating feedback effects of the electrical voltage source. This extension can be carried out analytically as well for the skilled person. To this end, "Modeling of Graded 1-3 Composite Piezoelectic Transducers", Proc eg. On p millet grain et al.,. Of the 5 th International Symposium on Functionally Graded Material, Dresden, Oct. 26-29, 1998, Trans. Tech Publications, Switzerland, Materials Science Forum Vols. 308-311 (1999), pages 521-526, or to S. Hirsekorn et al., "Modeling the properties of piezoelectric ceramic-plastic composites with material gradients for the construction of ultrasonic sensors , DGZfP Annual Meeting 1999, Report Volume 68.1, DGZfP, Berlin (1999), pages 337-347.

Zur Verifizierung der hier beispielhaft angeführten Gleichungen zur Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen wurde der eingesetzte Ultraschallwandler 1 zunächst in Luft vermessen. Anschließend wurde der Wandler 1 in einen Messbecher eingetaucht, der 150 ml destilliertes Wasser enthielt. In das Wasser wurden dann nacheinander 5 Einheiten von jeweils 10 ml Isopropanol hinzugegeben und durch Rühren gleichmäßig verteilt. Die Messungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.To verify the equations given here by way of example for determining the acoustic impedance from the measured resonance frequencies, the ultrasonic transducer used was used 1 first measure in air. Subsequently, the converter 1 immersed in a measuring cup containing 150 ml of distilled water. 5 units of each 10 ml of isopropanol were then added in succession to the water and distributed uniformly by stirring. The measurements are summarized in the table below.

Figure 00130001
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Die Messungen zeigen, dass sich sowohl die Serien- als auch die Parallelresonanz mit zunehmendem Isopropanolgehalt verschieben. Diese Verschiebung ist nicht monoton. Beide Resonanzen sinken zunächst ab und steigen dann wieder an. Eine Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis und somit der Dichte der Flüssigkeit ist dabei deutlich erkennbar. Aus diesen Resonanzfrequenzen lässt sich mit den vorangehend erläuterten Gleichungen die Impedanz der Flüssigkeit und bei bekannter Schallgeschwindigkeit auch die Dichte berechnen, die im vorliegenden Fall in guter Übereinstimmung mit der bekannten Dichte der Mischungen ist.The Measurements show that both the series and the parallel resonance with increasing isopropanol content move. This shift is not monotone. Both resonances sink first and then start again. A dependence on the mixing ratio and thus the density of the liquid clearly recognizable. From these resonant frequencies can be with the previously explained Equations the impedance of the fluid and calculate the density at known sound velocity, the in the present case in good agreement with the known density of the mixtures.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird somit die genaue Bestimmung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit ermöglicht. Mit Wandlern genügend hoher Güte lassen sich Resonanzfrequenzen genauer messen als Reflexions- und Transmissionsamplituden, was zu genaueren Ergebnissen zunächst für die Impedanz der umgebenden Flüssigkeit und in Verbindung mit Laufzeit- bzw. Schallgeschwindigkeitsmessungen, bei denen die Genauigkeit kein Problem darstellt, schließlich zu genaueren Ergebnissen für die Dichte führt. Beide Messverfahren können über geeignete Ultraschallwandler mit der zugehörigen Elektronik in ein einziges Messgerät integriert werden.With The present method thus makes the exact determination of the acoustic impedance of a fluid allows. Enough with converters high quality Resonance frequencies can be measured more accurately than reflection and Transmission amplitudes, resulting in more accurate results first for the impedance the surrounding liquid and in conjunction with runtime or Sound velocity measurements where accuracy is not Problem poses, after all to more accurate results for the density leads. Both measuring methods can be used via suitable Ultrasonic transducer with the associated Electronics to be integrated into a single meter.

Bezugszeichenliste

Figure 00150001
LIST OF REFERENCE NUMBERS
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Claims (7)

Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit mit folgenden Schritten: – Einbringen eines Ultraschallwandlers (1) in die Flüssigkeit (2); – Messung von ein oder mehreren Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers (1) in der Flüssigkeit (2); und – Bestimmen der akustischen Impedanz der Flüssigkeit (2) aus den gemessenen Resonanzfrequenzen.Method for measuring the acoustic impedance of a fluid, comprising the following steps: - introducing an ultrasonic transducer ( 1 ) into the liquid ( 2 ); Measurement of one or more resonant frequencies of the ultrasonic transducer ( 1 ) in the liquid ( 2 ); and - determining the acoustic impedance of the fluid ( 2 ) from the measured resonance frequencies. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Resonanzfrequenzen durch eine Messung eines elektrischen Widerstandes des Ultraschallwandlers (1) als Funktion einer Frequenz einer den Ultraschallwandler (1) anregenden Wechselspannung erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the measurement of the resonance frequencies by a measurement of an electrical resistance of the ultrasonic transducer ( 1 ) as a function of a frequency of the ultrasonic transducer ( 1 ) exciting AC voltage takes place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Resonanzfrequenzen durch eine Messung einer Schwingungsamplitude des Ultraschallwandlers (1) als Funktion einer Frequenz einer den Ultraschallwandler (1) anregenden Wechselspannung erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the measurement of the resonance frequencies by a measurement of a vibration amplitude of the ultrasonic transducer ( 1 ) as a function of a frequency of the ultrasonic transducer ( 1 ) exciting AC voltage takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) eingesetzt und die Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen auf Basis piezoelektrischer Grundgleichungen sowie mechanischer, elektrischer und geometrischer Eigenschaften des Ultraschallwandlers (1) erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a piezoelectric ultrasonic transducer ( 1 ) and the determination of the acoustic impedance from the measured resonance frequencies on the basis of basic piezoelectric equations as well as mechanical, electrical and geometric properties of the ultrasonic transducer ( 1 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Dickenschwinger als Ultraschallwandler (1) eingesetzt wird.A method according to claim 4, characterized in that a piezoelectric thickness vibrator as Ultrasonic transducer ( 1 ) is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (2) gemessen und aus der gemessenen akustischen Impedanz und der gemessenen Schallgeschwindigkeit die Dichte der Flüssigkeit (2) bestimmt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in addition the speed of sound in the liquid ( 2 ) and from the measured acoustic impedance and the measured speed of sound the density of the liquid ( 2 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit über ein Ultraschall-Laufzeitverfahren gemessen wird.Method according to Claim 6, characterized that the speed of sound is above an ultrasonic transit time method is measured.
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