DE19601944A1 - Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz in Fluiden nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im Stand der Technik wird die Schallgeschwindigkeit bzw. die Schallabsorption nach unterschiedlichen Ver­ fahren gemessen. Bei den sogenannten Ultraschallreso­ nanzverfahren werden in dem zu untersuchenden Fluid stehende Schallwellen erzeugt, wobei sich zwei ebene Schallwandler, eine Meßstrecke einschließend, gegen­ überstehen. Aus der Frequenz der stehenden Schallwel­ le und den Abmessungen der Meßstrecke läßt sich die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid der Meßstrecke ermitteln. Eine derartige Anordnung ist in der Ver­ öffentlichung Burda, W., Becker, W.-J., Ultraschall- Resonanz-Meßgerät für die Fluid-Prozeßmeßtechnik, Technisches Messen 60 (1993) 10, Seiten 376 bis 382, beschrieben. An die Ausrichtung beider Schallwandler zueinander werden extrem hohe Forderungen gestellt, da hierdurch die erreichbare Genauigkeit der Meßein­ richtung wesentlich bestimmt wird, so daß eine auf­ wendige Justierung vorgenommen werden muß. Weiterhin müssen identische Schallwandler verwendet werden, die jedoch kaum zu realisieren sind, da selbst bei iden­ tisch gefertigten Schallwandlern unvermeidbare Unter­ schiede in den Übertragungseigenschaften auftreten. Hieraus resultiert unter anderem eine relativ kompli­ zierte und kaum reproduzierbare Schallfeldgeometrie zwischen den beiden Schallwandlern in der zu unter­ suchenden Flüssigkeit.

Aus der DE 34 20 794 A1 ist eine Einrichtung zur Un­ tersuchung von Flüssigkeitseigenschaften durch die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls bekannt, bei der gleichfalls zwei Schallwand­ ler vorgesehen sind, die eine Meßstrecke einschlie­ ßen, wobei bei dieser Einrichtung die Schallgeschwin­ digkeit über die Laufzeit bestimmt wird, die ein Schallimpuls zum Durchlaufen der Meßstrecke benötigt. Zur akustischen Entkopplung der Schallwandler unter­ einander ist bei dieser bekannten Einrichtung ein erheblicher konstruktiver Aufwand notwendig. Dies gilt insbesondere zur akustischen Analyse geringer Flüssigkeitsmengen.

Die bei den bekannten Verfahren verwendeten plan­ parallel angeordneten Wandleranordnungen verursachen beim Einbau in Rohrsystemen erhebliche Störungen des Strömungsprofils und konstruktionsbedingt auch Wirk­ druckverluste beim Fluidtransport, so daß häufig eine solche Anordnung nicht anwendbar ist. Zur Verringe­ rung der Rückwirkung der Schallwandlerkonstruktion auf das Strömungsprofil in Rohrsystemen sind Anord­ nungen bekannt, bei denen ebene Schallwandler mit einer der zylindrischen Oberflächengeometrie des Roh­ res angepaßten Koppelschicht kombiniert werden. Diese Anordnung weist aber entscheidende Nachteile auf. Im allgemeinen muß berücksichtigt werden, daß die Ände­ rung der Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids das Schallfeld durch die von der geometrischen Form der Koppelschicht verursachten Fokussierung stark verändert, was die amplituden- und auch zeit­ abhängige Auswertung der Empfangs- und Echosignale erheblich beeinträchtigt. Oft werden auch nicht die Forderungen an die zulässigen Toleranzen hinsichtlich Übertragungsfunktion des Schallwandlers und deren mechanischen Anordnung bzw. Ausrichtung erfüllt. Dar­ über hinaus sind zur Vermeidung der Ausbreitung stö­ render und unerwünschter Oberflächenwellen bzw. wei­ terer Schwingungsmoden die zuverlässige akustische Entkopplung der beiden Wandler im Rohr zu gewährlei­ sten. Aus der Sicht der Herstellbarkeit werden an die einzelnen an der Konstruktion beteiligten Schichten bezüglich ihrer Maßhaltigkeit extreme Forderungen gestellt. Während dies noch mit entsprechendem Auf­ wand technologisch gut beherrscht wird, erweist sich meist die Konfektionierung bzw. Montage der Schall­ wandler (Kleb- oder Lötverbindungen) als nicht zuver­ lässig reproduzierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Messung von akustischen Größen, wie der Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder aku­ stischer Impendanz von Fluiden zu schaffen, die eine genaue Messung der akustischen Größen auch bei klei­ nem Fluidvolumen gewährleistet, wobei der Aufbau der Wandleranordnung einfach sein soll und keine aufwen­ digen Justierarbeiten nötig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Dadurch, daß der gleichzeitig als Sender und Empfänger dienen­ de Schallwandler zylinderförmig ausgebildet ist, wird die Einstrahlung eines akustischen Signals (Kompres­ sionswelle bzw. Longitudinalwelle) gleichzeitig und phasenrichtig in das Innere des Zylinders, der mit dem zu untersuchenden Fluid gefüllt ist, realisiert. Nach der zum Mittelpunkt des Zylinders gerichteten konzentrischen Durchdringung des Fluids erfolgt der Empfang und die Auswertung des Schallsignals integral auf der gesamten Schallwandleroberfläche. Störende Effekte infolge der sich möglicherweise bildenden Fremdmoden können durch diese Art der Schallsignal­ erzeugung und geeigneten konstruktiven Maßnahmen weitgehend ausgeschlossen bzw. unterdrückt werden. Das Schallfeld ist in seiner Form sehr homogen und gut reproduzierbar. Aufgrund der radialsymmetrischen Form der Schallwandleranordnung werden die Anforde­ rungen hinsichtlich der mechanischen Konstruktion technologisch vorteilhafter beherrscht. Zusätzliche Schichten können den direkten Medienkontakt vermeiden oder die zielgerichtete Beeinflussung des akustischen Verhaltens des Schallwandlers ermöglichen. Durch die zylinderförmige Anordnung des Schallwandlers wird die Auflösung erheblich verbessert, so daß sehr viel kleinere Abmessungen für den Wandler im Vergleich zu üblichen akustischen Sensoreinrichtungen verwendet werden können, wodurch sich auch das für die akusti­ sche Analyse notwendige Fluidvolumen beträchtlich verringert.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind weitere Verbesserungen und Weiterbildungen möglich. Der zylinderförmige Schallwandler läßt sich direkt in Rohre einbauen, ohne das Strömungsprofil zu verändern oder einen Wirkdruckverlust zu verursachen. Durch Segmentierung des zylinderförmigen Schallwand­ lers können clamp-on-Meßeinrichtungen realisiert wer­ den. Weiterhin ist durch die Segmentierung eine rich­ tungsabhängige Auswertung möglich. Durch einfache konstruktive Maßnahmen zur Drehung des zylinderförmi­ gen Schallwandlers wird gewährleistet, daß sich auf der Oberfläche keine Beläge oder Luftblasen anlagern bzw. anhaften. Durch Vorsehen eines Außenzylinders kann in dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder und Schallwandler ein Medium geführt werden, das zur Küh­ lung bzw. bei definierter Temperatur zur Thermostati­ sierung des zylindrischen Schallwandlers und des zu untersuchenden Fluids dient. Wenn ein Referenzmedium in dem Zwischenraum vorgesehen wird, können die Meß­ genauigkeit weiter erhöht werden und Temperaturein­ flüsse kompensiert werden.

Der erfindungsgemäße zylindrische Schallwandler ist gleichermaßen für alle direkten Verfahren und für das Resonanzverfahren einsetzbar und geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische radiale und axiale Querschnittsansicht des erfindungsge­ mäßen Schallwandlers, und

Fig. 2 eine Darstellung des zylindrischen Schallwandlers mit elektronischer Be­ schaltung.

In Fig. 1 und 2 sind schematisch eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden darge­ stellt. Die Vorrichtung weist einen zylindrischen Schallwandler 1 vorzugsweise aus einer Piezokeramik auf, wobei ein zu untersuchendes Fluid 2 im Inneren des zylindrischen Schallwandler 1 vorgesehen ist. Der Durchmesser des zylindrischen Schallwandlers 1 sowie seine Länge sind auf die durchzuführende Meßaufgabe abgestimmt und können beliebig gewählt werden. Der zylindrische Schallwandler kann von einem Gehäuse 3 ebenfalls zylindrisch umgeben sein, das auch als Re­ flektor dienen kann.

Der Schallwandler ist mit einer Sende- und Empfänger­ schaltung 4 verbunden, die elektrische Signale zur Erzeugung von Schallwellen an den Schallwandler lie­ fert und die durch Schallwellen hervorgerufenen elek­ trische Signale von dem Schallwandler 1 empfängt. Die Sende- und Empfängerschaltung 4 ist mit einer Auswer­ teschaltung 5 verbunden, die aus den empfangenen elektrischen Signalen abhängig von dem gewählten Meß­ verfahren und den Abmessungen des Schallwandlers und gegebenenfalls des Stoffsystems die akustische Größe wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz des Fluids 2 bestimmt.

Bei einem Laufzeitverfahren liefert die Sendeschal­ tung 4 einen elektrischen Impuls an den Schallwandler 1, der diesen in ein impulsförmiges Schallsignal um­ wandelt und eine Longitudinal- bzw. Kompressionswelle durch das Fluid 2 zum gedachten Mittelpunkt des Zy­ linders sendet, worauf die sich weiter ausbreitende Schallwelle von dem zylindrischen Schallwandler wie­ der empfangen wird. Die Empfängerschaltung 4 erhält das von dem Schallwandler 1 aufgrund der empfangenen Schallwellen erzeugte Empfangssignal und die Auswer­ teschaltung 5 bestimmt abhängig von der Laufzeit zwi­ schen Sendeimpuls und Empfangssignal und abhängig von den Abmessungen des Schallwandlers 1, zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, die kenn­ zeichnend für die Eigenschaft des Fluids ist. Unter Heranziehung der Amplitude bzw. deren Änderung des Empfangssignals kann unter Verwendung bekannter Aus­ werteverfahren die Schallabsorption und/oder die aku­ stische Impedanz berechnet werden.

Bei dem Resonanzverfahren liefert die Sendeschaltung 4 ein kontinuierliches Signal an den Schallwandler 1, durch das innerhalb des zylindrischen Schallwandlers 1 eine stehende Welle erzeugt wird. Aus der Amplitude des elektrischen Signals am Schallwandler kann unter Berücksichtigung der Signalfrequenz oder deren Ände­ rungen und gegebenenfalls des Phasenverhaltens und der vorhandenen Abmessungen wiederum die Schallge­ schwindigkeit und/oder Schallabsorption und/oder aku­ stische Impedanz bestimmt werden.

Selbstverständlich können unterschiedliche bekannte Verfahren zur Auswertung der Empfangssignale ange­ wandt werden.

Der zylindrische Schallwandler 1 kann von dem Fluid durchströmt werden, es ist jedoch auch möglich, daß der zylindrische Schallwandler durch einen Boden und/oder durch einen Deckel abgedeckt ist und ein konstantes Volumen aufnimmt und direkt die Meßzelle zur Aufnahme und Untersuchung des Fluids bildet. Auch können ein oder mehrere weitere Konstruktionselemente mit dem zylindrischen Schallwandler 1 in Verbindung stehen, um eine Meßzelle zu bilden.

Der zylinderförmige Schallwandler kann direkt in Roh­ re eingebaut werden, um das durch die Rohre fließende Fluid zu untersuchen. Durch den Wandler wird eine Veränderung des Strömungsprofils oder ein Wirkdruck­ verlust vermieden.

Der Zwischenraum zwischen Schallwandler 1 und Außen­ zylinder bzw. Gehäuse 3 ist mit einem Referenzmedium gefüllt. Unter Verwendung des Referenzmediums kann der Temperatureinfluß kompensiert werden und es kann die Genauigkeit erhöht werden. Hierbei werden die Schallsignale eines front- und rückseitig abstrahlen­ den zylindrischen Schallwandlers genutzt, welche frontseitig nach dem Passieren der Meßflüssigkeit und rückseitig nach dem Passieren des Referenzmediums simultan (aber zeitlich gering versetzt) wieder vom Schallwandler empfangen werden. Die gleichzeitige Auswertung des Referenzmediums gestattet eine bessere Anpassung der Auswerteelektronik an die zu erwarten­ den Sensorsignale. Mit Hilfe des Schallsignals im Referenzmedium ist es auch möglich, sicher den Aus­ fall von Ultraschallsensoren (defekte elektrische Verbindungen u. a.) von nicht vorhandener Flüssigkeit im Meßraum zu unterscheiden.

In dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder 3 und Schallwandler 1 kann auch ein Medium geführt werden, durch das der Schallwandler 1 und das Fluid 2 gekühlt oder gewärmt wird, in gleicher Weise kann jedoch auch ein Medium definierter Temperatur vorgesehen sein, das zur Thermostatisierung der Anordnung dient. Hier­ bei können unter Berücksichtigung des thermischen Einschwingens die Temperaturen von Schallwandler und Meßflüssigkeit nahezu ideal angeglichen werden.

Zur Isolierung des Fluids 2 von dem Schallwandler 1 kann eine Isolierschicht als Koppelschicht auf der Innenwand des zylindrischen Schallwandlers 1 vorgese­ hen werden. Darüber hinaus können sowohl auf der In­ nenfläche als auch auf der Außenfläche des zylin­ drischen Wandlers 1 zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Schallwandlers 1 eine oder mehrere Dämpfungsschichten oder Koppelschichten angeordnet sein.

Die Koppelschicht dient frontseitig erstens, wie aus­ geführt, zur Isolierung des Schallwandlers vom zu untersuchenden Fluid und zweitens zur akustischen Anpassung der recht unterschiedlichen Materialimpen­ danzen von Piezokeramik und Flüssigkeit, um einen möglichst effektiven Schallsignaleintrag in die Flüs­ sigkeit zu gewährleisten. Hinsichtlich der ersten Funktion soll diese Koppelschicht eine hohe chemische Resistenz und mechanische Festigkeit gegenüber den zu untersuchenden Materialien besitzen. Die zweite For­ derung wird am besten erfüllt, wenn die akustische Impendanz der Koppelschicht dem geometrischen Mittel der Koppelschichten der angrenzenden Flächen ent­ spricht. Auch mehrere Schichten sind denkbar. Streng betrachtet besteht im allgemeinen ein komplettierter Schallwandler frontseitig mindestens aus einer Kop­ pelschicht, der Haft- bzw. Verbindungsschicht und der Metallelektrode auf der Piezokeramik.

Die Dämpfungsschicht wird rückseitig an die Piezoke­ ramik angebracht und soll im allgemeinen die rücksei­ tig abgestrahlten Schallsignale aufnehmen und mög­ lichst vollständig absorbieren. Prinzipiell kann die Dämpfungsschicht auch aus mehreren Einzelschichten bestehen oder nicht homogener Struktur sein. Gleich­ zeitig führen diese zusätzlichen Schichten ebenfalls zu einer höheren Grundbedämpfung des Gesamtschwin­ gungssystems und bilden darüber hinaus in Verbindung mit einer Gehäuseschicht den rückwärtigen Abschluß des Schallwandlers. Diese Dämpfungsschicht ist vor­ teilhaft im Falle einer einfachen einzylindrigen Meß­ zelle als auch für den Fall, daß der äußere Raum um den Schallwandler zur Thermostatisierung der Meßzelle genutzt wird, um störende Reflexionen zu vermeiden. Wird im Zusammenhang mit einem Referenzmedium die front- und rückseitige Abstrahlung des Schallsignals beabsichtigt und ausgenutzt, muß die Koppelschicht beidseitig an der Piezokeramik angebracht werden. In diesem Falle würde die rückwärtige Dämpfungsschicht entfallen.

Der zylindrische Schallwandler 1 kann aus zwei Halb­ schalen oder aus mehreren Schalensegmenten bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, den zylindrischen Schallwandler auf bzw. um eine Rohrleitung anzuord­ nen, in der das zu untersuchende Fluid strömt. Hier­ bei muß allerdings die Rohrleitung selbst als Koppel­ medium berücksichtigt werden.

Bei Vorsehen von mehreren Schalensegmenten können diese einzeln angesteuert werden. Auf diese Weise kann aus den jeweiligen Empfangssignalen der Schalen­ segmente des zylinderförmigen Schallwandlers 1 eine richtungsabhängige Auswertung des zu untersuchenden Fluids vorgenommen werden.

Bei Segmentierung des zylindrischen Schallwandlers in vier Teile entstehen zum Beispiel zwei sich jeweils gegenüber stehende Sender-Empfängeranordnungen. Wenn dieser Zylinder Teil eines Rohres ist, in dem eine Mehrphasenströmung (Flüssigkeit mit Feststoffen oder Gasanteil) fließt und wenn eine der Wandleranordnun­ gen horizontal und die andere vertikal angeordnet sind, lassen sich so sedimentierte Feststoffe oder aufsteigende Gasbläschen getrennt vom reinen Flüssig­ keitsstrom erfassen.

Der Schallwandler kann während der Messung bzw. zwi­ schen den Messungen um seine Symmetrieachse gedreht werden, wodurch vermieden wird, daß sich auf den Oberflächen des Schallwandlers Beläge oder Luftblasen festsetzen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz in Fluiden mit ei­ ner Schallsender- und -empfängeranordnung, die mit einer Sende- und Empfängerschaltung verbun­ den ist und die von der Sendeschaltung erzeugte elektrische Signale in Schallwellen umwandelt und empfangene Schallwellen in elektrische Si­ gnale umwandelt, und mit einer Auswerteschaltung zum Bestimmen der akustischen Größe auf der Grundlage der empfangenen elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsender- und Empfängeranordnung als zylindrischer Schallwandler (1) ausgebildet ist, wobei das Fluid (2) im Innenraum des zylin­ derförmigen Schallwandlers (1) aufgenommen ist, der Schallwellen in das Fluid aussendet und die­ se anschließend wieder empfängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schallwandler (1) ein impuls­ förmiges Schallsignal sendet und empfängt und die Auswerteschaltung (5) die akustische Größe abhängig von der Laufzeit und/oder der Amplitude bzw. deren Änderung bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) ein kontinuierliches Schallsignal erzeugt, das in dem Fluid eine stehende Welle bildet und daß die Auswerteschaltung die akustische Größe abhängig von der Amplitude und Frequenz oder deren Änderung bestimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) als Piezokeramik ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (1) zu seiner Isolierung vom zu untersuchenden Fluid (2) und/oder zur Verbesserung seiner aku­ stischen Eigenschaften mindestens eine Koppel­ schicht und/oder mindestens eine Dämpfungs­ schicht aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) ein- oder beidseitig abge­ schlossen ist und als Meßzelle zur Aufnahme und Untersuchung des Fluids (2) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) in oder an einem vom Fluid (2) durchflossenen Rohr eingebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) von einem Außenzylinder (3) umgeben ist, wobei der Raum zwischen Schallwand­ ler (1) und Außenzylinder (3) mit einem Refe­ renzmedium und/oder einem Medium zur Kühlung bzw. Thermostatisierung gefüllt ist oder von diesem durchströmt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schallwandler (1) aus mindestens zwei Schalen­ segmenten besteht, die gleichzeitig oder ge­ trennt elektrisch angesteuert werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Belagsbildung oder dem Anhaften von Gasbläschen der zylindrische Schallwandler (1) während der Messung oder zwischen den Messungen parallel zu seiner Symmetrieachse drehbar ist.