DE19805550C1 - Dichte-Meßvorrichtung und -Meßverfahren für Fluids - Google Patents

Dichte-Meßvorrichtung und -Meßverfahren für Fluids

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Description

Insbesondere in der Prozeßtechnik ist häufig an einem vorge­ gebenen Ort die Dichte eines Mediums vorzugsweise unter den augenblicklich gegebenen physikalischen Bedingungen (Druck, Temperatur, Strömung und dgl.) zu messen. Dabei handelt es sich im allgemeinen um ein in einem Behälter, einem Rohr und dgl. ruhendes oder strömendes Fluid, das also in irgendeiner Weise durch eine materielle Wand gegenüber der Umgebung be­ grenzt ist. Im Nachfolgenden wird eine solche Wand ohne Ein­ schränkung der Allgemeingültigkeit als Rohrwand bezeichnet, da dies der häufigste Fall für den Einsatz einer Dichtemeß­ vorrichtung ist.
Die bisher bekannten Methoden zur Dichtemessung von Flüssig­ keiten mit Ultraschall zielen darauf ab, die Reflexion an der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Rohrwand zu erfassen. Dabei wird ausgenutzt, daß die physikalischen Eigenschaften der Rohrwand exakt bekannt bzw. leicht zugänglich sind. Das Meßprinzip beruht auf der Bestimmung der Amplituden der von einem Wandler ausgesandt auf die Grenzfläche einfallenden und der zum Wandler als Echoempfänger zurücklaufenden Schallwel­ le. Die bekannten Verfahren unterscheiden sich vornehmlich darin, wie die einfallende Schallintensität durch eine Refe­ renzmessung detektiert wird.
Aus US 4297608 ist eine einschlägige Vorrichtung bekannt, bei der für die Erfassung der Sendeamplitude ein dieser propor­ tionales Referenzechosignal mit Hilfe eines speziell dafür vorgesehenen Schall reflektierenden Vorsprungs, z. B. einer Ringnut erzeugt wird, der dem Schallwandler gegenüber seit­ lich positioniert ist. Die dort reflektierte Echo-Amplitude wird als Maß für die Amplitude der ausgesandten Ultraschall­ strahlung verwendet.
Wesentliche Verbesserungen dieses vorgenannten Standes der Technik beschreiben die beiden EP 0482326 A1 und EP 0483491 A1. Sie betreffen konstruktive Maßnahmen, durch die eine Ver­ besserung hinsichtlich der Erzeugung und des Empfangs des Re­ ferenz-Echosignals in Bezug auf das Nutzsignal zu erzielen ist, nämlich um die von der Technik geforderte hohe Meßgenau­ igkeit von üblicherweise kleiner 1% bzw. 0,25% bis 1% für den zu messenden Wert der Dichte zu erreichen.
Der voranstehend genannte Stand der Technik hat den Nachteil, daß der für die Fluid-Dichtemessung nutzbare Effekt dort sehr schwach ist, da dort stets ein relativ großer Impedanzsprung zwischen dem Fluid und der Meßvorrichtung, insbesondere an der Wandung des Rohres vorliegt, in dem sich das zu messende Fluid ruhend oder strömend befindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzuge­ ben, mit deren Hilfe eine Fluid- Dichtemessung eine erheblich höhere Meßempfindlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 und mit dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
Bei der Erfindung wird wiederum das Ultraschall-Meßprinzip angewendet, bei dem der Impedanzsprung zwischen der Schallim­ pedanz des zu messenden Fluids und (wie auch im Stand der Technik) der Schallimpedanz eines Referenzmediums genutzt wird. Die Idee der Erfindung geht dahin, daß ein möglichst kleiner Impedanzunterschied zwischen zu messendem Medium und Referenzmedium (im Stand der Technik ist dies das Festkörper­ material im Schallkegel des Wandleraufbaus) erzielt wird. Das Problem ist, daß das zu messende Fluid irgendwie zwischen Wandungen, insbesondere in einem Rohr, eingeschlossen ist, die/das in der Prozeßtechnik z. B. hohen Druck aushalten, d. h. hohe Materialfestigkeit haben müssen/muß. Die Lösung wäre, für Rohre ein druckfestes Material zu finden, das dem Fluid angepaßt niedrige Schallimpedanz hat. Derartige Materialien stehen aber kaum oder überhaupt nicht zur Verfügung.
Mit der Erfindung ist ein völlig anderer Weg beschritten, der außerdem auch noch eine Vereinfachung hinsichtlich der Erzeu­ gung des Referenzsignals einschließt.
Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand eines Aus­ führungsbeispiels gegeben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.
Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm.
Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung mit Ultraschall- Fokussierung.
Die Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer erfin­ dungsgemäßen Meßvorrichtung der Dichte des als Meßfluid be­ zeichneten, in einem Rohr 10 befindlichen Fluids 11. Auf die Wandung 101 des Rohres 10 ist ein (z. B. und wie aus der Figur ersichtliches konisches) Gehäuse als Vorlaufelement 12 aufge­ setzt. An dessen in der Figur oberem stumpfen Ende ist ein piezoelektrischer Körper als Wandler 14 aufgesetzt. Mittels Zuführung eines entsprechenden elektrischen Signals kann die­ ser Wandler 14 zu mechanischen Schwingungen mit Abgabe einer Ultraschallstrahlung 21 in das Medium 22 hinein angeregt wer­ den. Diese ist möglichst senkrecht auf das Rohr 101 hin aus­ gerichtet. An der äußeren Oberfläche der Außenwand der Rohr­ wandung 101, (vorzugsweise ist der Bereich 101a der Rohrwan­ dung, der von dem Konus bedeckt ist, mit planer Fläche ausge­ bildet, das Rohr 10 z. B. ein Rechteckrohr) wird Ultraschall­ strahlung 121 zum Wandler 14 hin in sich zurückreflektiert.
Aus Fig. 2 ist der zeitliche Ablauf dieser vorgenannten Vor­ gänge zu entnehmen. Mit Beginn der Aussendung eines Ultra­ schall-Bursts, angeregt durch einen elektrischen Burst mit z. B. 50 bis 100 Schwingungen, läuft der Ultraschall 21 vom Wandler 14 zur äußeren Oberfläche der Rohrwand 101 und als Echo wieder zurück zum Wandler 14. Entsprechend der Laufzeit für den Hin- und Herlauf des Ultraschalls dieses Ultraschall- Bursts über den Abstand D zwischen dem Wandler 14 und der Rohrwand 101 vergeht zuerst eine entsprechende Zeit t1-t0 bis die Echo-Ultraschallstrahlung 121 den Wandler 14 erreicht hat. Durch den zunächst allein wirksamen großen (bekannten) Impedanzsprung zwischen dem Medium 22 und der Rohrwand 101 ergibt sich ein Echosignal mit einer Signalamplitude a, die als Referenz für die Amplitude Ao der abgestrahlten Ultra­ schallwelle herangezogen werden kann. Dies gilt solange - bis etwa zur Zeit t2 -, wie noch keine Überlagerung mit Schall­ strahlung 221 erfolgt, die an der (inneren) Grenzfläche zwi­ schen Rohrwandung 101 und dem Meßfluid 11 reflektiert werden. Es tritt nämlich auch Ultraschallstrahlung in den Rohrwand- Anteil 101a ein, der nicht nur an der Innenseite der Rohrwan­ dung 101 reflektiert wird, sondern innerhalb der Dicke der Rohrwand 101 auch vielfach hin und her reflektiert wird. Von dieser Ultraschallstrahlung tritt im Ergebnis ein Anteil 221 als verzögertes Echosignal aus dem Rohrwand-Anteil 101a in Richtung des Wandlers 14 aus. Erfindungsgemäß ist die Wand­ stärke d (zumindest) des Rohrwand-Anteils 101a so bemessen, daß gilt d = n . λ/2 mit n gleich einer ganzen Zahl. Mit λ ist die Wellenlänge der Ultraschallstrahlung im Material der Rohrwandung bezeichnet.
Diese Abstimmung der Wellenlänge führt dazu, daß die Ultra­ schallstrahlung 221 phasenentgegengesetzt der Ultraschall­ strahlung 121 ist und diese in praxi fast vollständig auszu­ löschen vermag. Nach der Einschwingzeit t3 für die Strahlung 221 verschwindet daher (wenigstens weitgehend) das erste Echosignal mit einer Signalamplitude a, das von der Außenflä­ che der Rohrwand 101 kommt, am Ort des Wandlers 14. In Fig. 2 ist dies durch ein extremes Absinken auf die dann vom Wandler 14 empfangene Echo-Signalamplitude b wiedergegeben.
Mit der Erfindung kann also im Zeitraum t2-t1 zunächst über a die Amplitude Ao des ausgesandten Ultraschallsignals (als Bezugsgröße) ermittelt werden und anschließend ab dem Zeit­ punkt t3 das von der Dichte des Meßfluids 11 beeinflußte Meß­ signal b erfaßt werden.
Weiter gehört zur Erfindung, innerhalb des aufgesetzten Ele­ ments 12, nämlich im Weg der Ultraschallstrahlung 21, ein Re­ ferenzmedium, z. B. ein Fluid, 22 vorzusehen. Als Referenzme­ dium wird erfindungsgemäß ein solches ausgewählt, das eine Ultraschallimpedanz hat, die derjenigen des Meßfluids 11 mög­ lichst angenähert ist. Da die akustische Impedanz Z = ρ . C von der Dichte des jeweiligen Mediums/Fluids abhängt, kann jetzt aus dem Echosignal b nach der Zeit t3 das Verhältnis der Dichte ρ des Referenzmediums 22 zur Dichte ρ des Meß­ fluids 11 bestimmt werden, und zwar mit dem Reflexionsfaktor R der Ultraschallwelle an der fiktiven Grenzfläche zwischen Referenzmedium und Meßfluid. Dies deshalb, weil sich durch die Interferenzauslöschung die gleiche Reflexion einstellt, als wäre die Rohrwand 101 nicht vorhanden und Referenzmedium und Meßfluid würden unmittelbar aneinandergrenzen.
Bei einer Meßvorrichtung nach dem (z. B. obengenannten) Stand der Technik mit einer Grenzfläche zwischen Stahl (des Rohres) und Wasser ergibt sich dort ein Reflexionsfaktor von R = 0,935. Für eine entsprechende Grenzfläche Stahl-Äthanol er­ gibt sich ein Wert R = 0,958. Das Verhältnis der Reflexions­ faktoren wäre ohne Anwendung der Erfindung daher nur ca. 1,000 zu 1,025. Dies obwohl die Dichte von Wasser und Äthanol sich wie etwa 4 : 3 verhalten. Bei der Erfindung mißt man einen Reflexionsfaktor R an der genannten virtuellen/fiktiven Re­ flexionsfläche zwischen Wasser als Referenzmedium und Äthanol als Meßfluid einen Reflexionsfaktor R = 0,22. Dies Beispiel zeigt, daß mit der Erfindung eine ca. 10 mal so hohe Meßemp­ findlichkeit bezüglich der Dichtemessung zu erreichen ist, und zwar dies mit den erfindungsgemäßen Merkmalen:
  • 1. Verwendung eines Referenzmediums mit (bekannter), an die etwaige/abgeschätzte Schallimpedanz des Meßfluids ange­ paßt angenähert groß gewählter Schallimpedanz in dem(aufgesetzten) Vorlaufelement 12.
  • 2. Abstimmung von Ultraschallwellenlänge λ (im Material der Rohrwandung) und Dicke d der Rohrwandung 101 zueinander, daß gilt d = n . λ/2.
  • 3. Bemessung des Abstandes D des Wandlers 14 von der Rohr­ wandung 101 so groß, daß die Ultraschall-Laufzeit (t1-to) vom Wandler 14 bis zurück zum Wandler 14 (2 × D) länger als die Abklingzeit für das (Sende-)Ausschwingen des Wandlers ist.
  • 4. Aussendung eines Ultraschall-Bursts mit zu 3. abgestimmt begrenzter Länge und zu 2. abgestimmter Frequenz.
  • 5. Ermitteln der gesendeten Ultraschallamplitude Ao (im Zeitraum t2-t1).
  • 6. Messung (in der Zeit nach t3) des Signals b des Refle­ xionsverhaltens Meßfluid/Referenzmedium an deren virtueller Grenzfläche.
  • 7. Dichtebestimmung des Meßfluids aus den Meßgrößen von 5. und 6.
Für das Meßfluid ergibt sich die Dichte ρM als:
ρM = ρR . cM . cR . (1 + R/1 - R),
worin ρR die bekannte Dichte des Referenzmediums 22, cR die bekannte Schallgeschwindigkeit (für die Ultraschall- Wellenlänge λ) im Referenzmedium, cM die anderweitig, z. B. mittels eines Laufzeit-Differenzverfahrens gemessene, bekann­ te Schallgeschwindigkeit im Meßfluid sind. Der Reflexionsfak­ tor R ist hier das Verhältnis R = b/Ao des empfangenen Si­ gnals b zum ausgesandten Schallsignal Ao. Letzteres ist hier bekannt aus dem Echo-Signal a = R' . Ao, worin R' der Schallre­ flexionswert für die Reflexion der Schallwelle 21 am bekann­ ten Material der Rohrwandoberfläche 101a (in vielen Fällen ist dies Stahl) ist.
Es ist bei Versuchen beobachtet worden, daß das Signal b bei Probemessungen, bei denen für das Meßfluid und für das Refe­ renzmedium identisches Medium verwendet wird (d. h., das Si­ gnal b gleich 0 sein müßte), dennoch ein Restsignal auftritt. Dieses läßt sich entsprechend einer Weiterbildung der Erfin­ dung weitgehend dadurch beheben, daß man eine wie in Fig. 3 gezeigte Maßnahme der Fokussierung der vom Wandler 14 ausge­ henden Ultraschallstrahlung 21 vornimmt. An den Wandler 14 angrenzend ist ein Fokussierungsteil 114 angeordnet, das eine solche Richtschärfe der Ultraschallstrahlung bewirkt, daß der auf die Fläche 101a auftreffende Ultraschall dort eine ebene Welle ist, deren Wellennormale senkrecht auf die λ/2-Schicht einfällt. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, daß, ab­ gesehen von letztendlich vernachlässigbaren Beugungseffekten, ein auf die Fläche 101a auffallendes paralleles Ultraschall- Strahlenbündel erzeugt ist. Als Maßnahmen hierfür kommen üb­ liche Ultraschall-Linsen, Fresnel-Linsen, Phased Arrays und Composites in Anwendung.
Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung des Meßergebnisses ist die Anwendung der Selbstadaption mit einer Einrichtung 201 zur Frequenznachführung, d. h. durch Vornahme eines Minimu­ mabgleichs.
Soll eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung dazu verwendet wer­ den, auf hoher Temperatur befindliches Meßfluid hinsichtlich seiner Dichte zu messen, kann es von Vorteil sein, das be­ schriebene Referenzmedium, als Fluid ausgewählt, in seinem Vorlaufelement durch Umpumpen P und ggfs. Kühlung K auf einer gewünschten gleichen Temperatur zu halten. Insbesondere kann dies von Vorteil sein, wenn vorgesehen ist, daß möglichst ge­ ringe Wärmeleitung von der Rohrwandung 101 des Rohres 10 zum Vorlaufelement 12 vorliegt. Insbesondere kann als Wandmateri­ al für dieses Vorlaufelement solches mit geringer Wärmelei­ tung vorgesehen sein.
Bezüglich des Vorlaufelements sind auch solche Maßnahmen von Vorteil, die möglichst geringe Körperschallübertragung in der Wand des Vorlaufelementes 12 bewirken können.
Es empfiehlt sich, für die Referenz ein Fluid als Medium vorzusehen. Es ist dies eine Maßnahme für einen praktisch einfachen Aufbau und einfache Handhabung der erfindungsgemä­ ßen Meßvorrichtung. Das Vorlaufelement kann aber auch ein Festkörper-Medium sein, für das keine nachteilig zusätzlichen Körperschall führende Hülle erforderlich ist und das, wie für das Vorlaufelement 12 beschrieben, auf die Wandung des Rohres 10 aufgesetzt ist und der Schallausbreitung (21, 121, 221) zwischen dem Wandler 14 und der Fläche 101a der Rohrwandung 101 dient.
Mit 200 ist eine einschlägig bekannte Einrichtung für die elektrische Anregung des Wandlers 14, das Messen der Signale und die Auswertung der Meßwerte bezeichnet. Die Einrichtung 201 dient der fakultativ anzuwendenden Selbstadaption.

Claims (13)

1. Dichte-Meßvorrichtung, mit Ultraschallwellen (21, 121) arbeitend, für Dichtemessung eines von der Innenfläche einer Wandung (101) begrenzten Meßfluids (11) durch diese Wandung hindurch,
mit einem Vorlaufelement (12) mit einem Sende- und Emp­ fangs-Wandler (14) und mit einem das Vorlaufelement (12) we­ nigstens im Strahlenweg des Ultraschalls (21, 121) ausfüllen­ den Referenzmedium (22), wobei dieses Vorlaufelement (12) auf die Wandung (101) an der Meßstelle (101a) aufgesetzt oder aufzusetzen ist und
mit einer Ultraschallsignal-Anrege, -Meß und -Auswerteeinrichtung (200),
wobei vorgesehen ist,
daß das Referenzmedium (22) mit zum Meßfluid (11) ange­ nähert gleich großer Schallimpedanz (ρ . c) ausgewählt ist,
daß die Dicke d der Wandung (101) mit d = n . λ/2 bemes­ sen ist, λ die Ultraschallwellenlänge im Material der Wandung (101) ist und n eine ganze Zahl ist,
daß die Abklingzeit des Wandlers (14) und der Abstand D desselben von der Wandung (101) aufeinander abgestimmt so be­ messen sind, daß sich im Referenzmedium für den Hin- und Her­ weg 2D der Ultraschallstrahlung (21, 121) eine Laufzeit (t1- to) ergibt, die länger als die Abklingzeit des mit einem Burst angeregten Wandlers (14) ist, wobei die Länge eines solchen Bursts und der Abstand D wiederum aufeinander abge­ stimmt bemessen sind.
2. Dichte-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Maß­ nahme der Fokussierung der vom Wandler (14) ausgehenden Ul­ traschallstrahlung vorgesehen ist, so daß sich eine auf die Außenfläche (101a) der Wandung (101) auftreffende Parallel­ strahlung (21) ergibt.
3. Dichte-Meßvorrichtung nach Anspruch 2, mit einer für den Ultraschall wirkenden Linse im Strahlengang der Ultraschall­ strahlung.
4. Dichte-Meßvorrichtung nach Anspruch 3, mit einer Linse nach Art einer Fresnel-Linse (114).
5. Dichte-Meßvorrichtung nach Anspruch 2, mit einem Ultra­ schallwandler, aufgebaut nach Art eines Phased Arrays.
6. Dichte-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Einrichtung (201) zur Frequenznachführung der Ul­ traschallfrequenz für einen Minimumabgleich.
7. Dichte-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Einrichtung (P) zum Umpumpen des als Fluid vorgese­ henen Referenzmediums (22).
8. Dichte-Meßvorrichtung nach Anspruch 7, mit zusätzlicher Kühleinrichtung (K) für das umzupumpende Fluid des Vorlaufe­ lements (12).
9. Dichte-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Festkörper-Medium als Referenzmedium.
10. Dichte-Meßverfahren zur Dichtemessung eines Meßfluids mittels von einem Wandler (14) ausgesandter und empfangener Ultraschallstrahlung (21), wobei
die ausgesandte Ultraschallstrahlung ein Referenzmedium durchläuft, anschließend auf die Außenfläche (101a) einer Wandung (101) trifft und
das Meßfluid von der Innenfläche der Wandung (101) be­ grenzt ist, durch die hindurch die Messung zu erfolgen hat,
mit den Verfahrensschritten:
Auswahl eines Referenzmediums (11) mit einer an die Schallimpedanz (ρM . cM) des Meßfluids (11) angenähert gleich großen Schallimpedanz (ρR . cR),
Abstimmung der im Material der Wandung (101) geltenden Ultraschallwellenlänge X und Dicke d der Wandung (101) so zueinander, daß gilt d = n . λ/2, mit λ = Wellenlänge der Ul­ traschallstrahlung (21) im Material der Wandung (101) und n einer ganzen Zahl,
Bemessung des Abstandes D zwischen dem Wandler (14) und der Wandung (101) derart, daß die Ultraschall-Laufzeit (t1- to) vom Wandler (14) zur Außenfläche (101a) der Wandung (101) und zurück zum Wandler (= 2 . D) länger als die Abklingzeit des Ausschwingens des Wandlers (14) ist,
Abstimmung der Burst-Länge eines ausgesandten eines Ul­ traschall-Bursts auf die gewählte Ultraschall-Laufzeit (t1- to),
Messung der Amplitude (a) des Ultraschallsignals, das vom Empfang der an der Wandung (101) reflektierten Strahlung (121) stammt,
nach teilweisem Abklingen (t3) des Empfangs des Ultra­ schallsignals (a) Messung der Signalamplitude (b) eines dann folgend empfangenen Ultraschallsignals (b) und
Auswertung der gemessenen Größen nach der Gleichung
ρM = ρR . cM . cR . (1 + R/1 - R),
worin
ρM der zu messende Wert der Dichte des Meßfluids (11) ist und
ρR die bekannte Dichte des Referenzmediums (22),
cR dessen bekannte Schallgeschwindigkeit,
cM die anderweitig bekannte Schallgeschwindigkeit im Meßfluid (11) sind und der Reflexionsfaktor R = R' . b/a ist, worin a und b die gemessenen Signalamplituden der Ultra­ schallsignale sind, R' das Maß des Reflexionsvermögens des Materials der Wandung (101), bezogen auf das Referenzmedium (22) für die Ultraschallstrahlung der Wellenlänge λ ist.
11. Dichte-Meßverfahren nach Anspruch 10, bei dem die Schallgeschwindigkeit (cM) des Meßfluids mittels eines Lauf­ zeitdifferenz-Verfahrens gemessen wird.
12. Dichte-Meßverfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die gesendete Ultraschallamplitude (Ao) durch eine separate Referenzmessung ermittelt wird.
13. Dichte-Meßverfahren nach Anspruch 12, bei dem die gesen­ dete Ultraschallamplitude (Ao) aus der an einem Vorsprung im Vorlaufelement reflektierten Ultraschallstrahlung ermittelt wird.
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