DE19944047A1 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration oder Dichte sowie von Partikeln - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Konzentration oder Dichte sowie von PartikelnInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Partikel- und Konzentrations- bzw. Dichtemessung in Flüssigkeiten und Gasen oder Fluiden mit undefiniertem Aggregatzustand durch Ultraschall weist zum Senden bzw. Empfangen Ultraschallwandler auf, die Ultraschallsignale unterschiedlicher Frequenzen und Energie dauernd oder impulsartig senden bzw. empfangen und auswerten können und gleichzeitig die Schallgeschwindigkeit der jeweiligen gesendeten Frequenz im Fluid messen und im Verhältnis zur Signalamplitude des empfangenen Ultraschallsignals auswerten können. Zur Absorption, also Verlust der Ultraschallenergie bei einer kontinuierlich ausgestrahlten US-Frequenz, kann spezifisch, abhängig von der jeweiligen Frequenz, auch die jeweilige spezifische Schallgeschwindigkeit im Fluid und bei Messung der Schallgeschwindigkeit die Amplitude des kurzen Messimpulses ausgewertet werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Konzen
trations/Dichte- und Partikelmessung in einem Fluid mit Ul
traschall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter Fluid
werden hier Gas und Flüssigkeiten, aber auch durch verschie
dene Aggregatszustände herrührende Mischformen, wie z. B.
Schäume, verstanden. Ebenfalls werden darunter Suspensionen,
also Feststoffpartikel in Gasen oder Flüssigkeiten sowie
Flüssigkeitströpfchen in Gas oder Flüssigkeiten ähnlich einer
Emulsion oder Dispersion verstanden.
Die Trübungsmessung in Fluiden ist im Grunde eine Partikel
messung, die bei Gasen wie bei transparenten Fluiden mit op
tischen oder auch mit akustischen, also physikalischen Mes
sprinzipien durchgeführt wird. Die Messgeräte sind im allge
meinen Inline- oder auch Sonden-Geräte, die das Fluid in ei
nem definierten Messvolumen durchstrahlen oder durchschallen
und dann nach der Absorptions- oder Streulichtmethode oder
nach der Extinktions- oder Doppler-Methode einzelne Partikel
oder bei einer Vielzahl von Partikeln die Konzentration oder
für den Fall, dass keine und nur sehr wenige und sehr kleine
Partikel in der Flüssigkeit vorhanden sind, die Dichte ermit
teln.
Außerdem kann man auf Grund der konstruktiven Anordnung mit
diesem Ultraschall-Messverfahren auch immer quasi gleichzei
tig die spezifische Schallgeschwindigkeit des Fluids auswer
ten, die die Messung der frequenzabhängigen Absorption ergän
zen kann.
Beim Ultraschall-Absorptionsverfahren sind im allgemeinen auf
gegenüberliegenden Seiten eines Messrohres ein Ultraschall
sender bzw. -empfänger an einem ultraschalldurchlässigen Fen
ster in der Messrohrwandung vorgesehen. Die Konzentrati
on/Dichte wird durch die Dämpfung im Fluid in direkter Rich
tung, aber auch in gestreutem Winkel bestimmt, die der Ultra
schallstrahl beim Durchgang des Messrohres vom Sender zum
Empfänger erfährt. Da ein Schallfenster immer den gleichen
inneren Dämpfungswert besitzt, ist dieser Wert normalerweise
als Konstante anzusehen. Eine Ausnahme (Schallimpedanz-
Veränderung Z) wird weiter unten beschrieben.
Unter ultraschalldurchlässigem Fenster versteht man z. B. ei
nen schalldurchlässigen Werkstoff aus Kunststoff wie PEEK,
PMMA oder Reinstglaskohlenstoff. Es kann darunter aber auch
ein sog. Resonanz-Schallfenster verstanden werden, bei wel
chen die Materialstärke so präzise auf die Frequenz abge
stimmt wird, so daß Metalle - allerdings in einer sehr schma
len Bandbreite - fast völlig ultraschalldurchlässig werden,
d. h. die übliche Undurchlässigkeit durch Reflexion fast voll
ständig ausgeschaltet wird. Unter Schallfenster versteht man
hier auch die Einleitung des U-Schalles durch einen dünnen
oder dickeren Schallleit-Stift, z. B. aus Glaskohlenstoff,
ähnlich wie bei einem Lichtleiter. Glaskohlenstoff wird z. B.
immer dann verwendet, wenn die Applikation eine völlige Me
tallionenfreiheit erfordert.
Das Messergebnis kann aber in bestimmten Messbereichen auch
doppeldeutig sein. Ursache hierfür sind die sehr komplexen
Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Licht oder, wie
hier dargestellt in gleicher Weise von Ultraschall mit dem
Fluid.
Die Temperatur des Fluids beeinflußt diese Messwerte immer.
Eine Flüssigkeit wie z. B. der wichtige Messstoff Wasser hat
ultraschallphysikalisch einen deutlich ausgeprägten Höcker.
So ist z. B. bei Wasser die Schallgeschwindigkeit bei 74°C am
höchsten, nämlich 1555 m/s. Bei 55°C und bei 100°C ist die
Schallgeschwindigkeit für Wasser niedriger, aber gleich, näm
lich 1548 m/s. Da ähnliche Effekte auch bei anderen Gemischen
und organischen Lösungen auftreten, nützt es auch nichts,
dass eine allgemeine Messkurve in einem Datenspeicher hinter
legt wird. Fast jede Flüssigkeit verhält sich etwas anders.
Betrachtet man feinmesstechnische Zusammenhänge in schmalen
Messbereichen, so zeigt sich, dass dies auch dort der Fall
ist. Man kann bei Verwendung von Licht mit variablen Wellen
längen wie auch bei Ultraschall mit variablen Wellenlängen
feststellen, dass in einer scheinbar stetigen und linear ver
laufenden Messkurve sich mehrere kleine "Berg- und Talbahnen"
befinden, die frequenzabhängig und temperaturabhängig sind.
Zudem ergibt sich kein linearer bzw. berechenbarer Zusammen
hang zwischen den verschiedenen Frequenzen. Das gleiche
trifft auch für die Bestimmung der Ultraschallgeschwindigkeit
im Fluid zu.
Man bekommt also in einem kleinen Messbereich mit kleinen Ab
weichungen ebenso doppeldeutige Messwerte wie in großen Mess
bereichen, wenn die Kurve einen Höcker hat. Jede Flüssigkeit
hat ihre spezifische Messkurve.
Sowohl bei niedrigeren Konzentrationen bzw. Dichten mit ge
ringer Dämpfung, z. B. nur 0,01 dB/cm im Vergleich zu Wasser,
wie auch bei hohen Konzentrationen und Dichten mit starker
Dämpfung, z. B.
< 10 dB/cm im Vergleich zu Wasser kann also mit vorgenannten Messprinzien nicht immer ein gut reproduzierbares, genaues und nicht doppeldeutiges Messsignal erhalten werden.
< 10 dB/cm im Vergleich zu Wasser kann also mit vorgenannten Messprinzien nicht immer ein gut reproduzierbares, genaues und nicht doppeldeutiges Messsignal erhalten werden.
Aber auch durch die Veränderung der Schallimpedanz Z, die
sich z. B. an einer Edelstahl-Schallfenster Oberfläche bei ei
ner veränderlichen Flüssigkeit ergibt, würde sich durch die
unterschiedliche Durchlässigkeit oder Reflexion des Schall
strahls an der fluidberührten Fläche eine Veränderung des
Messwertes ergeben.
Dies gilt jedoch nicht beim Schall-Resonanzfenster.
Beim Rückstrahl- oder Rückstreuverfahren und beim Ultra
schall-Doppler-Verfahren wird der Ultraschallstrahl durch
einzelne Partikel in dem Fluid reflektiert bzw. gestreut,
wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt sind:
- - Die allgemeine Dämpfung für Ultraschallwellen im Träger- Fluid darf nicht zu hoch sein, sonst kommt das Echo icht mehr zum Empfänger
- - nur Partikel ab einer bestimmten Größe können detektiert werden, wenn die eingesetzte Schallfrequenz in einem bestimm ten Verhältnis zur Partikelgröße steht;
- - außerdem muss eine bestimmte Mindestschallimpedanzdiffe renz zwischen Reflektor (Streuteilchen) und Trägerfluid ge währleistet sein neben bestimmten Oberflächeneigenschaften des kleinen Reflektors.
- - Daneben spielen noch bestimmte Kompressibilitätseigen schaften des Reflektors, (damit sind Gasbläschen, Flüssig keitströpfchen oder Feststoffe gemeint) eine Rolle, weil es besonders an dieser Stelle zu kleinen, aber messbaren Wech selwirkungen zwischen Ultraschall und Messstoff kommt.
Hier liegen u. a. die Ursachen für die kleinen Berg- und Tal
bahnen in einer ansonsten relativ stetig verlaufenden Mess
kurve.
Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl für die Partikel- wie
für die Konzentrations- und Dichtemessung von Fluiden mit Ul
traschall eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine hohe
Messgenauigkeit ermöglicht, in welchem das Messergebnis stets
verwertbar, reproduzierbar und eindeutig ist.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekenn
zeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Konzentrations- und
Dichtemessung durch Ultraschallabsorption eingesetzt werden
sowie in Kombination zur Partikelmessung nach dem Ultra
schall-Doppler-Prinzip oder mittels Ultraschallrück- oder
Streustrahlung eingesetzt werden.
Quasi gleichzeitig kann auch mit der Ultraschallabsorptions-
Messung die Schallgeschwindigkeit in der Messkammer, d. h. in
einem entsprechend ausgebildeten Messrohr, bestimmt werden.
Während zur Konzentrationsmessung durch Ultraschallabsorption
zwei getrennte Ultraschallwandler notwendig sind, nämlich ein
Sender und ein Empfänger, kann zur Partikelmessung durch Ul
traschallrückstrahlung nur ein Ultraschallwandler vorgesehen
sein, der sendet und nach einer bestimmten Laufzeit auf Emp
fang umschaltet.
Bei der Streuempfangsmethode können auch mehrere Empfänger
eingesetzt werden.
Demgegenüber kann die Partikelmessung nach dem Ultraschall-
Doppler-Prinzip entweder mit zwei oder auch drei getrennten,
als Sender bzw. Empfänger ausgebildeten Ultraschallwandlern
erfolgen oder mit nur einem Ultraschallwandler, der wie im
Fall der Ultraschallrückstrahlung vom Senden nach einer be
stimmten Laufzeit auf Empfang umschaltbar ist.
Setzt man dazu noch das Schallgeschwindigkeits-Messverfahren
ein, kann dieses sowohl bei der Absorptions-Methode wie bei
der Ultraschall-Doppler-Methode verwendet werden.
Im Falle der Absorption verändert sich typisch die Schallge
schwindigkeit entsprechend der Konzentration oder Dichte.
Im Falle des Doppler-Echos kann bei einer schnellen Impuls
folge bezüglich der Absorption zwischen dem Reflektor und dem
Trägerfluid unterschieden werden. Dies ist dadurch möglich,
weil bei schneller Impulsfolge der Reflektor noch im Schall
fenster vorhanden ist und seine Geschwindigkeit sich aufgrund
der verlängerten oder verkürzten Laufzeit ergibt. Rechnet man
von einer Impulsfolge zur nächsten die Relativbewegung und
Signalamplitude des Reflektors heraus, verbleibt die Schall
geschwindigkeit im Trägerfluid. Dieses Messverfahren ist für
sehr niedrige Partikelkonzentrationen einsetzbar. Erhöht sich
die Partikelkonzentration so stark, dass praktisch das Mess
fenster bzw. das Schallvolumen mit mehreren Partikeln ständig
gesättigt ist, kann eine Einzelunterscheidung nicht mehr ge
troffen werden. Dann gilt der integrale Wert der Absorption
bzw. der Schallgeschwindigkeit, ausgegeben als Hüllkurve.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus,
dass der eine Ultraschallwandler, der z. B. für die Partikel
messung durch Ultraschallrückstrahlung den Sender und Empfän
ger bildet, oder bei Verwendung getrennter Ultraschallwandler
zum Senden und Empfangen jeder der Ultraschallwandler so aus
gelegt ist, dass er Ultraschallsignale mit unterschiedlichen
Frequenzen senden oder empfangen kann.
Dies bedeutet, unterschiedliche Wellenlängen und gleicherma
ßen unterschiedliche Energien, insbesondere solche, wie sie
sich aus transversalen und longitudinalen Wellen durch den
sog. Modenwandel bilden.
In einer Flüssigkeit gibt es nur longitudinale Wellen, in
Feststoffen jedoch beide Wellenarten, allerdings mit dem Un
terschied, dass die transversale Welle nur etwa 60% der Wel
lenlänge der longitudinalen Welle aufweist, aber durch den
Modenwandel an der Grenzfläche Schallfenster zum Fluid in ei
ne ebenso langsame, aber longitudinale Welle umgewandelt
wird. Es muss sich also nicht unbedingt um zwei oder mehrere
unterschiedliche Frequenzen, die von einem Signalgenerator
stammen, handeln. Bei entsprechend richtiger konstruktiver
Auslegung können mit einer durch einen Signalgenerator er
zeugten Frequenz zwei unterschiedliche Frequenzen erzeugt
werden, die auch zum Messung herangezogen werden können. Um
diesen Effekt zu erzeugen, genügt es, schräg z. B. in Stahl
einzuschallen. Dabei werden immer 2 Wellenarten erzeugt.
Der Vorteil der Mehrfrequenztechnik liegt in einem breiten
Messbereich, der zugleich die nicht selten unbekannte Dämp
fung des Fluids beherrscht und im verbesserten Signal-
Rauschverhältnis des Empfangssignals. Die Frequenzabhängig
keit in einem Fluid kann nämlich so stark unterschiedlich
sein, dass mit einer Frequenz von z. B. 8 MHz überhaupt kein
Messsignal mehr empfangen werden kann, während bei 1 MHz das
Messignal tadellos auswertbar ist.
Auch kann mit dem Einsatz unterschiedlicher Frequenzen, d. h.
Wellenlängen, eine selektive Einzelpartikelmessung von
micronkleinen Reflektoren durchgeführt werden, da jede Fre
quenz ihre unterste Detektionsfähigkeit besitzt. Dies bedeu
tet, dass durch die Frequenz eine Ausblendung einer bestimm
ten Größenverteilung nach unten möglich wird. Niedrige Fre
quenzen bzw. lange Wellenlängen erfassen nur größere Parti
kel, während hohe Frequenzen auch sehr kleine Partikel erken
nen.
Auch kann der Übergang bestimmt werden, der sich dadurch aus
zeichnet, dass sich Partikelkollektive vereinzeln oder ver
binden. Darüber hinaus können höhere Partikelkonzentrationen
bestimmt werden, also beispielsweise Partikelkonzentrationen
bis zu 80 Gew.-% Feststoff in der Trägerflüssigkeit.
Ebenso wird das Gebiet der Kunststoffschaumtechnik durch die
Erfindung erschließbar. Zum Zweck der Gewichts- und Kostener
sparnis werden z. B. Siloxane, gemischt, die durch innere Ga
sentwicklung, z. B. Wasserstoffgas, feinstporig aufschäumen
und hart werden. Mit der erfindungsgemäßen Mehrfrequenztech
nik lässt sich das Polymer zuverlässig in den bestimmten An
teilen mischen, aber auch die Schaumentwicklung kontrollie
ren. In dieser Phase muss auf besonders niedrige Frequenzen
umgeschaltet werden. Nicht selten ist man bei diesen neuen
Kunststoffen an einer ganz bestimmten Elastizität bzw. Härte
interessiert. Bisher ist dies mit keinem Messverfahren je
realisiert worden. Erst am fertig aufgeschäumten und ausge
härteten Produkt konnte durch die Messung der Verformungs
kräfte erkannt werden, ob die Mischung stimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Inline-Messverfahren
oder mit einer Sonde in einem sog.
T-Stück in der Leitung durchgeführt werden. Beim Inline-
Messverfahren sind an dem fluiddurchströmten Messrohr oder am
vier- oder sechseckigen Messkanal die Fenster mit den Ultra
schallwandlern in der Rohrwand vorgesehen.
Falls beim Inline-Messverfahren nur ein Ultraschallwandler
zur Anwendung kommt, beispielsweise bei der Partikelmessung
durch Ultraschallrückstrahlung oder nach dem Ultraschall-
Doppler-Prinzip, kann auch nur ein (1) Fenster in dem Messka
nal mit dem Ultraschallwandler vorgesehen sein. Wenn ein sol
ches Fenster erforderlich ist, kann es vorteilhafterweise in
einem T-Stück der Rohrleitung angeordnet sein.
Eine wechselnd geschaltete Doppler-Sendefrequenz von z. B. 2
MHz und 8 MHz ermöglicht außerdem eine selektive Partikel-
Größenbestimmung der untersten Größe im statistischen Sinne,
weil, wie oben geschildert, die Frequenz die Mindestgröße be
stimmt. Gleich große Partikel stellen sich dann messtechnisch
bei beiden Frequenzen gleich groß dar und erhöhen somit die
Prozessicherheit.
Soweit es sich um sehr niedrige Konzentrationen handelt, kann
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine zeitgleiche Klas
sifizierung sowohl bezüglich des Durchmessers der Partikel,
als auch der Menge von Einzelpartikel vorgenommen werden.
Idealerweise sollte sich aber regelmäßig nicht mehr als ein
Partikel im Messvolumen befinden. Werden es mehrere, kann es
zu Störungen durch Interferenzen, z. B. durch Überschneidungen
und unterschiedliche Größen, kommen. Die Größe der Einzelpar
tikel kann dabei beispielsweise zwischen 1 µm bis 1.000 µm
schwanken. Die Menge, also die Anzahl der Partikel pro Sekun
de, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen werden
kann, beträgt beispielsweise bis zu 100.000 Partikel pro Se
kunde, je nach Größe des eingestellten Messvolumens im Mess
kanal.
Dabei ist es möglich, Partikel in verschiedene Größenbänder
aufzuteilen, also beispielsweise 4.500 Partikel mit einer
Größe von 5 bis 10 µm und 3.000 Partikel mit einer Größe von
11 bis 25 µm usw. Beispielsweise kann durch Aufteilung der
gemessenen Partikel pro Sekunde auf mindenstens fünf solche
Größenbänder eine Gauss'sche Größenverteilung der Einzelpar
tikel dargestellt werden. Eine Verfeinerung ist beliebig mög
lich.
Aus der Menge der Teilchen pro Zeiteinheit läßt sich das je
weilige Partikelvolumen pro Liter Fluid bzw. bei Kenntnis des
spezifischen Gewichts die Konzentration in Gramm/Liter erhal
ten.
Die Strömungsgeschwindigkeit kann ebenso durch die Ultra
schall-Doppler-Messung erhalten werden, die mit wenigen, das
Messvolumen durchströmenden Partikel durchgeführt werden
kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei der Partikel
messung nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip die Ultraschall
wellenlänge oder -frequenz auf die gesuchten Teilchengrößen,
die extrem schwanken können, abgestimmt werden, da die zur
Detektion erforderliche Wellenlänge stark vom zu detektieren
den Teilchendurchmesser abhängt, sowie, wie schon oben ge
schildert, von den Reflektorqualität der Oberfläche auf dem
Partikel und der akustischen Impedanzdifferenz.
Während aber nach den aus der Optik stammenden Erkenntnissen
nur Teilchen erfasst werden können, deren Teilchengröße min
destens ca. 1/10 der Wellenlänge in der transparenten Träger
flüssigkeit beträgt, konnte nunmehr experimentell nachgewie
sen werden, dass dieser Zusammenhang nicht in gleicher Weise
für die Ultraschallpartikelmessung gilt. Hier sind die Wech
selwirkungen, insbesondere durch die Kompressibilität des Re
flektors anders gestaltet. Vielmehr lassen sich durch Ultra
schallrückstrahlung und nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip
Teilchen mit einer Größe bis herab zu 1/50 der Wellenlänge
des Ultraschalls nachweisen.
Werden nun noch zwei oder drei verschiedene Messfrequenzen
mit verschiedenen Energien eingesetzt, erhöht sich die Zuver
lässigkeit und Messbereichsbreite für eine Partikelklassifi
zierung erheblich.
Unter zeitgleicher Messung wird hier verstanden, dass sich
während der Anwendung verschiedener Messfrequenzen praktisch
das gleiche Fluid oder das gleiche partikelhaltige Fluid fast
genau an der gleichen Stelle im Messvolumen des Messkanals
befindet. Nur dann kann ein Inline-Verfahren bei strömenden
Fluiden zuverlässig funktionieren, wenn die Wiederholfrequenz
hoch genug ist.
Ermöglicht wird diese hohe Auflösung insbesondere auch dann,
wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuer- und Aus
werteschaltung mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) um
fasst, der eine extrem schnelle Berechnung in Echtzeit zu
lässt. Die Berechnungsgeschwindigkeit und die Messwiederho
lung muss umso schneller sein, je höher die Strömungsge
schwindigkeit im Messkanal ist.
Eine DSP-Hard- und Software sollte insbesondere bei der Ein
zelpartikelbestimmung oder bei der Niedrigstkonzentrations
messung im ppm-Bereich folgende zeitkritische Berechnungen
durchführen:
- - Erkennung der jeweiligen Empfangsfrequenz und Auswertung des Amplitudenverlaufs von einem Reflektor, der sich als sog. Burst mit vielen Einzelschwingungen abbildet und
- - Zuordnung bzw. Vergleich mit der Sendefrequenz als sog. Plausibilitätsprüfung. Dies muss insbesondere z. B. dafür er folgen, um Unstetigkeiten des empfangenen Messignals zu er kennen, die durch die physikalischen Eigenarten des Reflek tors und durch die verwendete Messfrequenz herrühren können.
- - Ermittlung und Berechnung des mindest erforderlichen Nutz signals/Rauschabstandes Sigma für Reflektoren mit der Folge einer Aussonderung ungenügender Reflektorsignale, die entste hen, wenn z. B. nur die Randzone des Messvolumens gestreift wurde oder die akustischen Impedanzunterschiede zu gering für eine deutliche Signalbildung waren.
- - Bestimmung der Zahl und Amplitude der einzelnen Schwingun gen eines Bursts, den ein Reflektor beim Durchströmen des Messvolumens erzeugt.
Im Einzelnen:
- - Ermittlung des
- a) stetigen Anstieges der einzelnen Schwinger,
- b) Ermittlung der Plateauphase der Schwingung und
- c) Ermittlung des Abfalles der Schwingungsamplitude, die ein jeder Reflektor erzeugt, wenn er aus dem Messfenster heraus strömt; damit kann die Klassifizierung vorgenommen werden.
Damit können im Sinne einer Mustererkennung verschiedene Re
flektorsorten unterschieden werden, z. B. Gasbläschen von
Feststoffen. Auch hier gibt es das Problem der Doppeldeutig
keit eines Messignales, weil ein sehr kleines Gasbläschen
ebensoviel Energie reflektieren kann, wie ein größeres aber
diffuses, d. h. oberflächenrauhes Feststoffteilchen oder eine
organische Zelle.
- - Aussonderung von Messignalen, die z. B. durch Interfe renzeinbrüche gestört, teilgelöscht, gespalten oder verlän gert worden sind. Dahinter liegt ebenfalls eine sog. spezifi sche Mustererkennung, die es erlaubt, die Eindeutigkeit der Partikelerkennung zu gewährleisten. Nicht jeder Schwinger im Messsignal ist ein Burst oder Teil eines Bursts. Dann muss er verworfen werden.
- - Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit mit dem Doppler- Verfahren und gegebenenfalls Hochrechnung auf den gesamten Volumenstrom im Messrohr.
- - Angabe der jeweiligen Statistik und Fehlerbreite, die ein Volumenstrom mit Reflektoren, d. h. mit Streuteilchen usw. mit sich bringt.
- - Setzen von Grenzwerten für bestimmte Partikelgrößen (z. B. < 60 µm) oder Mengen (z. B. < 1000 Stück einer bestimmten Grö ße pro Sekunde oder umgerechnet mg/Liter), aber auch ver schiedene Phasenzustände und Arten (Gasbläschen, flüssige Tröpfchen und Feststoffe, org. Zellen usw.).
Demgegenüber wird bei der Ultraschallabsorption die Schwä
chung des vom Ultraschallsendewandlers ausgesendeten Mess
signals am Empfangsschallwandler gemessen. Werden verschiede
ne Messfrequenzen verwendet, muss die jeweilige Plausibilität
der Messung, die sich zeitgleich aus dem gleichen Messstoff
ergibt, berechnet werden, damit die Eindeutigkeit einer Mes
sung auch bei diversen frequenzabhängigen Effekten - wie oben
geschildert - gewährleistet ist.
Bei der Ultraschallabsorption wird erfindungsgemäß eine Vor
richtung verwendet, deren Ultraschallwandler zum Senden bzw.
Empfangen von Ultraschallsignalen mit unterschiedlichen Fre
quenzen ausgelegt sind. Durch die verschiedenen Wellenlängen
können damit Schwankungen oder Einbrüche einer Messkurve, die
bei einer diskreten Frequenz im Vergleich zu einer anderen
Frequenz arbeitet, ermittelt werden. Da sich die Dichte des
zu messenden Fluids ändert, kann bei Verwendung von nur einer
(1) Frequenz nicht festgestellt werden, ob sich die Dichte
verändert hat oder die fluid-spezifische Messkurve eine Del
le/Höcker hat.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Übergang von
der Einzelpartikelmessung zur Konzentrationsmessung aufgrund
der Verwendung von Ultraschallwandlern, die auf Ultraschall
signale unterschiedlicher Frequenzen ausgelegt sind und den
wahlweisen Einsatz der Ultraschallabsorption, des Ultra
schall-Doppler-Prinzips und/oder der Ultraschallrückstrahlung
beherrscht werden.
Stets ist auch bei Aussenden eines einzigen Ultraschallimpul
ses die Messung der Schallgeschwindigkeit im Fluid möglich.
Die Aussendung einer Ultraschallfrequenz als sog. Continuous-
Wave-Schallwelle oder umgeschaltet als kurzer Schallimpuls,
z. B. als eine einzelne herausgeschnittene Sinuswelle als
Puls, ist hier vorgesehen.
Bei der Konzentrationsmessung durch Ultraschallabsorption
können im übrigen nicht nur partikelhaltige Flüssigkeiten,
also Suspensionen, Emulsionen bzw. Gasbläschen und dgl. be
stimmt werden, sondern auch die Dichte von homogenen Phasen
eines Fluids, also auch reine Lösungen (z. B. wässrige disso
ziierte Flüssigkeiten). Gerade bei den wässrigen Flüssigkei
ten zeigt sich aber, dass die Veränderung der Dichte nicht
proportional mit der Absorption und der Schallgeschwindigkeit
einhergeht. Dabei spielt die Temperatur ein wichtige Rolle,
die aber nicht immer zeitgleich und genau zur Verfügung
steht. (Z. B. wegen Trägheit des Sensors).
Das oder die Schallfenster der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestehen in dem Bereich, durch den der Ultraschallstrahl hin
durchtritt, aus einem schallleitenden Material, das vorzugs
weise eine Schallimpedanz aufweist, die höchstens das
15fache, vorzugsweise höchstens das 10fache, der Schallimpe
danz des Fluids bzw. der Trägerflüssigkeit beträgt. Ein sol
ches Material stellen insbesondere Glaskohlenstoff und Polye
theretherketon (PEEK) dar. Jedoch kann das schallleitende Ma
terial auch aus Glaskeramik oder ähnlichen Werkstoffen beste
hen.
Verwendet man zwei verschiedene Werkstoffarten für die
Schallfenster, so läßt sich mit der Auswertung der Signalam
plituden entsprechender Frequenz außerdem aus dem zu ermit
telnden Verhältnis zwischen Schalldurchlässigkeit und Schall
reflexion, also im Ergebnis die akustische Schallimpedanz Z,
ein weiterer Parameter bestimmen, der eine Aussagekraft für
die Eindeutigkeit einer Messung eines Fluids besitzt.
Schließlich kann der Schalldurchtritt auch aus einem sog.
Schall-Resonanzfenster bestehen. Hier wird die Fensterdicke,
d. h. die Werkstoffstärke hochgenau auf die verwendete Sende
frequenz abgestimmt. Bei der Berechnung muss hochgenau auf
die Werkstoffeigenschaften, insbesondere auf die Schallge
schwindigkeit des Werkstoffes eingegangen werden.
Erreicht man den optimalen λ/2-Resonanzpunkt, so ändert sich
fast schlagartig das ansonsten stark reflektierende also un
durchlässige Verhalten der Werkstoffoberfläche. (Dieser Zu
sammenhang gilt insbesondere für metallische Werkstoffe, wie
Stahl).
Ein solches Schallresonanzfenster wird fast schlagartig für
Ultraschall voll durchlässig für die abgestrahlte Frequenz
und Energie. Dies trifft genauso auch für die Empfängerseite
zu.
Verbunden mit diesem Effekt ist außerdem, dass die akustische
Impedanzdifferenz zwischen Fluid und Messkanalinnenwand, die
normalerweise ein zumeist noch temperaturabhängiges Problem
darstellt, keinen Einfluss mehr auf den Messwert hat. Im Hin
blick auf die in der Industrie meist gewünschte hohe Wider
standsfähigkeit gegen Drücke, die Beständigkeit gegen chemi
sche Angriffe und Abrasionsfestigkeiten sowie aus konstrukti
ven Gründen für Geräte, die in explosionsgefährdeten Berei
chen betrieben werden sollen, ist das Schallresonanzfenster
für mehrere Frequenzen insbesondere aus Stahl die Konstruk
tion der Wahl.
Bei der Absorption können bei der so stark herabgesetzten Re
flexionseigenschaften die Flächen von Sender und Empfänger
selbstverständlich parallel gegenüberstehen.
Dieses Schallresonanzfenster-Prinzip kann auch für das Dopp
ler-Prinzip eingesetzt werden. Dies ist erst recht dann mög
lich, wenn die Sendefrequenz hoch liegt, z. B. 4 MHz, und die
Strömungsgeschwindigkeit im Fluid niedrig liegt, also nur bis
zu wenigen Metern pro Minute.
Schließlich kann das Messfenster in den Bereich des Ultra
schallstrahls mit einem Ultraschallleitkörper aus einem sol
chen schallleitenden Material durchsetzt sein und im übrigen
aus einem optisch durchlässigen Material, wie Quarz- oder Sa
phirglas, bestehen. Falls ein Fenster verwendet wird, das au
ßerhalb der Schallleitkörper aus einem optisch durchlässigen
Material besteht, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
mit einem optischen Sensor zur Partikel- bzw. Konzentrations
bestimmung kombiniert werden.
In einem Messgerät sind also folgende technische Variationen
realisierbar:
- - Mehrere Schallpfade für die Absorptionsbestimmung mit un terschiedlichen Frequenzen und Auswertungskanälen. Sender und Empfänger werden zwischen Absorptions- und Schallgeschwindig keitsbestimmung umgeschaltet.
- - Mehrere Schallpfade (mindestens 2) können gleiche oder un terschiedliche Schallfensterwerkstoffe für gleiche oder un terschiedliche Messfrequenzen besitzen.
- - Bei gleichen Schallfensterwerkstoffen ist insbesondere die konstruktive Auslegung nach dem Resonanzverfahren λ/2 vorge sehen. Stets sind die zugehörigen elektronischen Auswerteka näle mit der Umschaltung zur Bestimmung der Schalleschwindig keit im Einzelimpulsverfahren vorhanden.
- - Ist nur ein Schallpfad vorgesehen, also ein Schallfenster, kann dies ebenfalls mit mehreren Frequenzen betrieben werden, wenn Piezo-Schallwandler, die ein Ultraschallspektrum abgeben oder Kombinationsschallwandler, das sind Piezoelemente mit unterschiedlicher Dicke, zusammengeschaltet werden.
- - Außerdem ist durch die Ankopplung von zwei gleichen Schallwandlern mit nur einer (1) oder zwei (2) Frequenzen durch die konstruktive Anordnung, nämlich eine Direktein schaltung und eine Brechung nach Snelliusgesetz die Erzeugung einer zweifachen Wellenlänge, d. h. Frequenz, nämlich der longitudinalen Welle und der transversalen Schallwelle, mög lich. Durch Modenwandel an der Oberfläche vom Fenster zum Fluid wird die langsamere Transversalwelle im Fluid wiederum zur langsameren Longitudinalwelle, so dass dadurch zwei oder vier verschiedene Wellenlängen zur Messung ausgewertet werden können, obwohl nur ein oder zwei Schallwandler zur Verfügung stehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vielseitig einsetzbar,
beispielsweise kann sie in Produktionsverfahren zum Einsatz
kommen, bei denen die Flüssigkeit von sehr sauber bis hochge
sättigt oder trüb schwankt, etwa bei der Papierherstellung,
bei der Farbpastenherstellung in einer Pigmentmühle oder beim
Reinigungsvorgang am Ende der Farbpastenherstellung oder in
der Nahrungs- und Genußmittelindustrie. Bei der Erzeugung,
Konservierung und Aufbereitung von Nahrungs- und Genußmitteln
kann auf diese Weise sehr gut die Hygiene des Rohrleitungssy
stems kontrolliert werden, weil sich weder im Leitwert noch
im pH-Wert von Spülwasser (oder VE-Wasser) feststellen lässt,
dass dies noch partikelhaltig ist.
Die Vorrichtung kann auch für die Klassifizierung von klein
sten Gasbläschen in Beschichtungsflüssigkeiten dienen, die
den Auftrag oder das Gießen von dünnen Schichten oder Filmen
stören können. Ebenso kann eine Entgasungsqualität einer Be
schichtungsflüssigkeit kontrolliert werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Klassifizierung von or
ganischen Zellen in der Biotechnologie oder in der Medizin
technik lassen sich z. B. Blutkörperchen nach Unverträglich
keitsreaktionen, z. B. Allergien, mit Hilfe des hochauflösen
den Doppler-Effekts erkennen.
Die konstruktive Gestaltung der Ultraschallwandler kann aus
einem oder mehreren Piezoplättchen unterschiedlicher Dicke
bestehen. Die Mindestdifferenz der Frequenz sollte diejenige
zwischen einer longitudinalen und einer transversalen Schall
wellenlänge liegen. Ist die longitudinale Schallgeschwindig
keit relativiert 100% schnell, so beträgt typischerweise die
transversale Schallgeschwindigkeit nur etwa 60% von der Lon
gitudinalen. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von knapp 1 : 2.
D. h., die höchste Frequenz, die der Ultraschallsender sendet
bzw. empfängt, sollte mindestens 1,5 mal höher als die nied
rigste Frequenz sein. Damit die Vorteile der Erfindung in der
Praxis zum Tragen kommen, sollte gegenüber der niedrigsten
Frequenz die höchste Frequenz im System, z. B. auch 1 : 3 oder
1 : 4 betragen können.
Normalerweise wird je Frequenz ein Schallpfad mit einem Pie
zoelement mit einer konkreten Frequenz aufgebaut. Zum Einsatz
können aber auch Schallwandler kommen, die ein breites Spek
trum abgeben oder durch entsprechende Anregung und Konstruk
tion mehrere diskrete Frequenzen.
Es können z. B. nach dem Resonanzprinzipien drei Piezoschwin
ger im Stapel arbeiten. Jeder Piezoschwinger kann einzeln
oder entsprechend den gegebenen Resonanzverhältnissen gleich
zeitig mit unterschiedlichen selektierten Frequenzen ange
steuert werden. Daraus ergibt sich dann ein Frequenzgemisch.
Auf der Empfängerseite muss gleichermassen ein solches Piezo
system aufgebaut werden. Die Auswertung ist dann allerdings
nur noch mit einem DSP und nach Fourier möglich.
Schließlich kann statt mehrerer Piezoschwinger auch jeder
Schallwandler nur aus einem einzigen besonders geformten Pie
zoschwingerplättchen bestehen, also im Querschnitt beispiels
weise keil- oder stufenförmig ausgebildet ist. Ein solches
Piezoschwingerplättchen kann so angesteuert werden, dass es
ein Ultraschallsignal sendet bzw. empfängt, das seine Fre
quenz in einem Sweep ändert, also beispielsweise beim Durch
lauf von 1 auf 10 MHz oder umgekehrt.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Absorptionsmessung
können sich beispielsweise drei Piezoschwinger exakt gegen
überstehen, d. h. sie haben eine Strahlungsachse von 90° zur
Strömungsrichtung. Gemessen wird nacheinander durch Umschal
ten auf den jeweiligen Frequenzkanal.
Wenn Empfänger und Sender in einem bestimmten Einstrahlwinkel
zur Strömungsachse zueinander angeordnet sind, entsteht der
Doppler-Effekt.
Für ein Mehrfrequenzverfahren bei Anwendung des Doppler-
Effekktes spricht auch, dass größere Partikel bei hohen Sen
defrequenzen, d. h. kurzen Wellenlängen in der Trägerflüs
sigkeit nicht mehr so genau bestimmt werden können, da das
Verhältnis der Teilchengröße bzw. die Größe der reflektieren
den kleinen Oberfläche nicht mehr zur eingesetzten Wellenlän
ge paßt. Man muss dies so verstehen, dass es bei einem gebün
delten, feinen Ultraschallstrahl ab einer gewissen Größe kei
ne Rolle mehr spielt, ob die reflektierende Fläche z. B. 5 mm2
oder 1 cm2 groß ist. Die reflektierte und vom Empfänger aufge
nommene Schallenergie bleibt dann fast immer die Gleiche.
Im Prinzip ergibt sich der gleiche Effekt auch bei der Ultra
schallrückstrahlung. Ist die Strahlungsrichtung 90° zur
Strömungsachse gerichtet, ergibt sich kein Doppler-Effekt.
Das Echo eines erfassten Partikels wird aber hinsichtlich
seiner Amplitude messbar. Dieses Echo weicht, weil das Parti
kel im meist mittigen Messvolumen liegt, deutlich vom sog.
Hinterwandsignal ab. Sind keine Reflektoren in der Flüssig
keit vorhanden, entsteht ein diffuses elektronisch klar ab
grenzbares Hinterwandsignal, welches herausgerechnet werden
kann. Durch Fokussierung, wie man sie auch bei Ultraschall
einsetzen kann, lässt sich die Energie im Messvolumen deut
lich erhöhen, allerdings verkleinert sich dann das Messvolu
men dementsprechend. Dies bedeutet, dass der Detektionsgrad
höher, aber die Statistik schlechter wird, d. h. man muss län
ger warten, bis man zu einem aussagekräftigen Messwert kommt.
Die oben beschriebene Vorrichtung erlaubt es, in einem Mess
kanal nahe beieinanderliegend einen Schallpfad für die Ab
sorption und für die Doppler-Messung anzuordnen. Dies können
auch zwei oder drei Schallpfade für die Absorption, und dies
in Kombination mit einem Doppler-Schallpfad sein.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass erfindungsgemäß die Kon
zentration durch die Absorption oder die Schallgeschwindig
keit, aber vorzugsweise durch die Anwendung beider Messver
fahren vorzugsweise mit unterschiedlichen Frequenzen und dann
durch die Korrelation von beiden Messwerten bestimmt wird.
Die Partikelmessung nach dem Doppler-Prinzip kann mit wenig
stens einem Sender und wenigstens einem Empfänger mit jeweils
mindestens zwei Frequenzen erfolgen, wobei Sender und Empfän
ger im Winkel zueinander angeordnet sind. Der Doppler-Effekt
tritt nur bei Fluiden auf, in welchen Partikel durch die
Strömung mitgeführt werden.
Die zwei Frequenzen können entweder durch zwei einzelne Pie
zoschallwandler, die entsprechend konstruktiv angeordnet
sind, erzeugt werden oder durch einen Piezoschallwandler, der
unterschiedlich seitens des Senders angesteuert wird bzw.
seitens des Empfängers in einem Resonanzbereich abgefragt
wird.
Die Partikelmessung kann auch durch Rückstrahlung mit einem
Ultraschallwandler, der zugleich Sender und Empfänger bildet,
bei senkrechter Einstrahlung zur Strömungsrichtung der Flüs
sigkeit und die Partikelmessung nach dem Dopplerprinzip durch
Rückstrahlung mit einem Ultraschallwandler, der zugleich den
Sender und Empfänger bildet, bei schräger Einstrahlung zur
Strömungsrichtung miteinander kombiniert werden.
Es kann ein rundes Messrohr verwendet werden, aber auch eine
im Querschnitt vier- oder sechseckige Messkammer. Letztere
bietet bessere, d. h. reflexionsfreiere Messmöglichkeiten.
Das Messrohr kann in den Bereichen der Schallpfade auch eine
Ausbuchtung haben, um die planparallele Gegenüberstellung der
Schallwandler zu ermöglichen.
Die Schallfenster bestehen aus ausgewählten Werkstoffen. Ins
besondere wird das Schallresonanzfenster bevorzugt. Alterna
tiv dazu kann der Schalleitstift, der direkt in das Fluid in
das Messrohrinnere eintaucht, eingesetzt werden. Die Strah
lungsrichtung und die Ausbildung der Schallkeule ist vom
Schallfenster und dessen Durchlässigkeit unabhängig.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeich
nung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
a, b, c schematisch einen Längsschnitt und einen Querschnitt
durch ein Messrohr bzw. die Draufsicht auf eines der
beiden Ultraschallwandlerfenster des Messrohres zur
Konzentrationsmessung durch Absorption mit zwei Pie
zoschwingerplättchen pro Fenster und zur Ultraschall
dopplerfrequenzmessung mit einem Piezoschwingerplätt
chen pro Fenster;
Fig. 2 schematisch einen Längsschnitt durch ein Messrohr zur
Veranschaulichung der Randunschärfe bei der Ultra
schalldopplerfrequenzmessung;
Fig. 3 schematisch einen Längsschnitt durch ein Messrohr,
das die Fokusierung bei der Ultraschalldopplerfre
quenzmessung zeigt;
Fig. 4
a, b, c schematisch einen Längsschnitt und einen Querschnitt
durch ein Messrohr bzw. die Draufsicht auf eines der
beiden Ultraschallwandlerfenster des Messrohres zur
Konzentrationsmessung durch Absorption mit drei Pie
zoschwingerplättchen pro Fenster;
Fig. 5 eine Messkurve, das die Abhängigkeit der Größe des
Messwerts von der Teilchengröße bei der Ultraschall
dopplerfrequenzmessung in Wasser zeigt;
Fig. 6 eine Darstellung typischer Ultraschalldopplerfre
quenzsignale;
Fig. 7 eine Messkurve, die die Abhängigkeit der Größe des
Messwerts von der Konzentration einer Suspension von
Kieselgur in Wasser zeigt;
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Messkopfes; und
Fig. 9 eine Ansicht des Messkopfes nach Fig. 8 von vorne.
Gemäß Fig. 1 ist an einem Messrohr oder Messkanal 1 auf ge
genüberliegenden Seiten in der Rohrwand jeweils ein Fenster 2
und 3 vorgesehen. Jedes Fenster 2, 3 besteht aus einer Schei
be, die von drei Schallleitkörpern 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9
durchragt wird, die zylindrisch ausgebildet sind und zur Zy
linderachse senkrechte Stirnflächen besitzen.
Jeder Schallleitkörper 4, 5, 6 sowie 7, 8, 9 ist an seiner
äußeren Stirnfläche mit einem Piezoschwingerplättchen 11, 12,
13 bzw. 14, 15, 16 versehen.
Die Piezoschwingerplättchen 11, 12 bilden den Ultraschallsen
der S und die Piezoschwingerplättchen 14, 15 den Ultraschal
lempfänger E für die Konzentrationsmessung durch Ultraschall
absorption. Dazu sind die beiden Piezoschwingerplättchen 11,
12 auf der einen Rohrseite und die beiden Piezoschwinger
plättchen 14, 15 auf der anderen Rohrseite mit ihren Schall
leitkörpern 4, 5 bzw. 7, 8 aufeinander ausgerichtet, sodass
zwei senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit (Pfeil
19) verlaufende Strahlen 17, 18 gebildet werden. Die Pie
zoschwingerplättchen 11 und 12 senden Ultraschallsignale un
terschiedlicher Piezofrequenz, welche von den Piezoschwinger
plättchen 14, 15 auf der anderen Rohrseite empfangen werden.
Die Piezoschwingerplättchen 13 und 14 mit ihren Schallleit
körpern 6, 9 sind demgegenüber schräg in Strömungsrichtung 19
ausgerichtet. Das Piezoschwingerplättchen 13 bildet den Ul
traschallsender S und das Piezoschwingerplättchen 16 den Ul
traschallempfänger E. Im Messbereich 21 wird der Ultraschall
strahl 22 durch Partikel reflektiert und die reflektierte
Strahlung 23, die aufgrund des Dopplereffekts durch die Bewe
gung der Partikel in Richtung des Pfeiles 19 frequenzverscho
ben ist, wird vom Piezoschwingerplättchen 16 erfasst.
Die Piezoschwingerplättchen 11 und 14 können beispielsweise
mit einer Piezofrequenz von 1 MHz senden bzw. empfangen, und
die Piezoschwingerplättchen 12, 15 mit einer Piezofrequenz
von 4 MHz, während die Piezoschwingerplättchen 13, und 16 mit
einer Piezofrequenz von beispielsweise 8 MHz senden und emp
fangen können. Damit kann mit den Piezoschwingerplättchen 11,
12 sowie 14, 15 die Konzentration gemessen werden, während
mit den Piezoschwingerplättchen 13 und 16 kleinste Partikel
und zugleich die Strömungsgeschwindigkeit 19 aufgrund des
Dopplereffekts gemessen werden kann. Das Dopplerfrequenzsi
gnal ist im übrigen bis hin zur höchsten Konzentrationen
messbar, sodass auch die Strömungsgeschwindigkeit bei höch
sten Konzentrationen bestimmt werden kann.
Gemäß Fig. 2 tritt bei der Ultraschalldopplerfrequenzmessung
sowohl am Rand des Ultraschallstrahls 22 wie am Rand der vom
Messbereich 21 reflektierten Ultraschallstrahlung 23 eine
Randunschärfe auf, die durch eine Auswerteschaltung mit einem
digitalen Signalprozessor durch sog. Mustererkennung beim
Durchqueren eines Reflektors berücksichtigt wird. Die Ab
strahlzone des Ultraschallstrahls 22
wird dabei durch die Stirnfläche des Schallleitkörpers 6 be
stimmt, und die Empfangszone der reflektierten Strahlung 23
durch die Stirnfläche des Schallleitkörpers 9.
In Fig. 3 ist die Veränderung des Ultraschallstrahls 22 bzw.
der reflektierten Strahlung 23 dargestellt, wenn im Gegensatz
zu der Ausführungsform nach Fig. 2 die innere Stirnfläche 25
bzw. 26 der Schallleitkörper 6, 9 als konkave Linse ausgebil
det wird. Dies führt zu einer Fokusierung mit der Folge, dass
die Energie im Messfeld 21 wesentlich ansteigt, sodass das
Ultraschalldopplerecho wesentlich stärker ausfällt. Dadurch
kann bei der Partikelmessung nach dem Ultraschalldopplerprin
zip die Empfindlichkeit wesentlich erhöht werden.
In gleicher Weise kann durch Ausbildung der Schallabstrahl
flächen der Schallleitkörper 4, 5 sowie 7, 8 als konkave Lin
sen die Empfindlichkeit bei der Konzentrationsmessung durch
Ultraschallabsorption wesentlich erhöht werden, wie im übri
gen auch bei der Partikelmessung durch Ultraschallrückstrah
lung.
Die konkave Linse 25, 26 an den Schallleitkörpern ist dabei
frequenzangepasst gestaltet, da sich der Krümmungsradius mit
der Schallfrequenz ändert. Statt einer konkaven Linse können
ggf. auch konvexe Linsen verwendet werden.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der
nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass sie ausschließlich
zur Konzentrationsmessung durch Ultraschallabsorption ausge
legt und dazu mit einem dritten Piezoschwingerpaar 28, 29 an
Schallleitkörpern 30 bzw. 31 versehen ist, wobei durch das
Piezoschwingerplättchen 28 ein dritter Schallstrahl 32 mit
einer dritten Piezofrequenz erzeugt wird, der von dem Pie
zoschwingerplättchen 29 empfangen wird.
In Fig. 5 ist die Größe des Messwerts in 200 elektronische
Schwellenwerte oder Schritte (z. B. in mV) auf der Abzisse mit
gleichen Abständen dargestellt, also linear eingeteilt. Die
bei der Ultraschalldopplerfrequenzmessung auftretende Abhän
gigkeit der Teilchengröße von der Größe des Messwerts wird
dabei durch eine Exponentialfunktion wiedergegeben, die asym
ptotisch einem Endwert zustrebt, sodass bei einer Teilchen
größe von beispielsweise 100 µm die Amplitude des Ultra
schallfrequenzechos nicht mehr aussagekräftig ist.
Weiterhin zeigt Fig. 5 einen Anstieg der Exponentialfunktion
mit der zweiten Wurzel, und nicht mit der dritten Wurzel, al
so nicht entsprechend dem Zuwachs des Kugelvolumens. Das
heißt, entscheidend ist die wirksame Reflektorfläche eines
Teilchens für eine bestimmte Ultraschallfrequenz.
Die Abnahme der Größe des Messwerts lediglich mit der zweiten
Wurzel, und nicht, wie bisher angenommen mit der dritten Wur
zel, stellt einen wesentlichen vorteilhaften Grund für den
Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Ultraschallsi
gnalen unterschiedlicher Frequenz dar.
In Fig. 6 sind typische Dopplersignale von verschiedenen gro
ßen Reflektoren (Partikeln) dargestellt, wobei fünf einstell
bare Schwellen eingezeichnet sind. Dies wird als Scan der
Größenverteilung bezeichnet, d. h., die Klassifizierung nach
der Teilchengröße (µm) und der Anzahl der Teilchen pro Sekun
de.
Bei der Messkurve nach Fig. 7 ist die Größe der Messwerte wie
in Fig. 5 durch elektronische Schwellen aufgeteilt, aller
dings auf der Ordinate und in 900 Schritten. Ein Messwert
bzw. eine Zahl von mehr als 900 bedeutet, dass keine Dämpfung
des Ultraschallstrahls in der Flüssigkeit erfolgt, während
der Messwert bzw. die Zahl 0 eine 100%ige Dämpfung wieder
gibt, bei der kein Messsignal mehr erhalten wird.
Die Kurve verläuft exponentiell nach unten, hat aber den
größten Abfall gerade im niedrigsten Konzentrationsbereich.
Je höher die Konzentration, umso flacher wird die Messkurve,
was bedeutet, dass eine Zunahme der Konzentration von bei
spielsweise 28% auf 30% zu einer kaum messbaren Schwächung
des Empfangssignals führt. Ändert man nun die Ultraschall
messfrequenz, so kommt man aus dieser Problematik sofort her
aus, weil die Dämpfung typisch mit der zweiten bis dritten
Potenz ansteigt. Ganz niedrige Ultraschallmessfrequenzen er
möglichen somit, den gewünschten Messbereich in den stark ab
fallenden Ast dieser Kurve zu verlegen. Die Kurve nach Fig. 7
verdeutlicht damit einen wesentlichen Vorteil der erfindungs
gemäßen Vorrichtung, bei der die Ultraschallwandler Ultra
schallsignale unterschiedlicher Frequenz senden bzw. empfan
gen.
Die in Fig. 7 dargestellte Absorptionskurve gilt im Prinzip
für jede Art der Dämpfung eines Ultraschallmesssignales, also
auch für die Messung nach dem Ultraschalldopplerprinzip. Dem
gemäß kann die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung beispiels
weise auch dahingehend variert werden, dass statt eines Pie
zoschwingerpaares für die Ultraschalldopplerfrequenzmessung
zwei Piezoschwingerpaare beispielsweise mit 4 MHz und 8 MHz
verwendet werden, und zur Konzentrationsmessung durch Ultra
schallabsorption nur ein Piezoschwingerpaar als Sender und
Empfänger mit einer Piezofrequenz von beispielsweise 2 MHz.
Bemerkt sei noch, dass die im Zusammenhang mit Fig. 3 be
schriebene Fokusierung auch zur Partikelmessung durch Ultra
schallrückstrahlung vorteilhaft eingesetzt werden kann, ins
besondere dann, wenn nur ein Piezoschwingerplättchen verwen
det wird, das vom Senden auf Empfang umgeschaltet wird. Das
Rückstrahlverfahren ist dabei insbesondere bei Leitungen mit
einem T-Stück geeignet, bei denen nicht ohne weiteres ein ge
genüberliegender Schallwandler angebracht werden kann. Auch
beim Rückstrahlverfahren kann wie anhand der Fig. 3 erläu
tert, eine Fokusierung des Schallstrahles erfolgen, um mehr
Energie in das Messvolumen und damit auf die zurückstrahlen
den Partikel zu bringen. Dies gilt vor allem bei einer hohen
Absorption der Flüssigkeit.
Gemäß Fig. 8 und 9 besteht der Messkopf 40 aus drei Schei
ben 41, 42, 43, beispielsweise aus Edelstahl, welche in der
Mitte mit einer Öffnung versehen sind, um einen rechteckigen
Meßkanal 44 zu bilden. Die Scheiben 41, 42, 43 werden durch
Endplatten 45, 66, die gegeneinander durch Schrauben 47 ver
spannt sind, dicht gegeneinander gepreßt.
Jede Scheibe 41, 42, 43 weist zwei diametral gegenüberliegen
de Schalleitkörper 4, 5, 6 sowie 7, 8, 9 auf. Die sich gegen
überliegenden Schalleitkörper 4, 7 bzw. 5, 8 bzw. 6, 9 jeder
Scheibe 41, 42, 43 sind als unterschiedlich dicke Resonanz
fenster für drei unterschiedliche Frequenzen, z. B. für die
Frequenzen 1, 2 und 4 Hz ausgebildet. Damit können mit dem
Messkopf 40 sechs Messwerte erhalten werden.
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Partikel- und Konzentrations- oder Dich
temessung in einem Fluid durch Ultraschall mit einem Ul
traschallwandler an einem schalldurchlässigen Fenster an
dem von dem Fluid durchströmten Kanal oder getrennten Ul
traschallwandlern an je einem oder mehreren schalldurch
lässigen Fenstern an dem Kanal zum Senden und Empfangen
des Ultraschallsignals sowie mit einer Steuer- und Aus
werteschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ultra
schallwandler zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschall
signalen unterschiedlicher Frequenzen ausgelegt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die höchste Frequenz, die der Ultraschallwandler sendet
bzw. empfängt, etwa doppelt so hoch ist wie die niedrig
ste Frequenz.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass zum Senden bzw. Empfangen unterschiedlicher
Frequenzen an jedem Fenster (2, 3) ein Ultraschallwandler
vorgesehen ist, der durch mehrere Piezoschwingerplättchen
(11, 12, 28; 14, 15, 29) unterschiedlicher Dicke an dem
jeweiligen Fenster (2, 3) gebildet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Piezoschwingerplättchen (11, 12, 28; 14, 15, 29) un
terschiedlicher Dicke durch die Steuerschaltung nachein
ander angesteuert werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass an jedem Fenster (2, 3) ein im Querschnitt
keil- oder stufenförmiges Piezoschwingerplättchen vorge
sehen ist, das durch die Steuerschaltung derart angesteu
ert wird, dass ein Ultraschallsignal mit sich ändernder
Frequenz gebildet wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Fenster (2, 3) eine so auf
die Ultraschallfrequenz abgestimmte Materialstärke auf
weist, daß durch Resonanz Ultraschalldurchlässigkeit auf
tritt.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass das Fenster (2, 3) zumindest
im Bereich des Ultraschallstrahls (17, 18, 32) aus einem
schallleitendem Material mit einer Schallimpedanz be
steht, die höchstens das 15-fache der Schallimpedanz des
Fluids aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Fenster (2, 3) im Bereich des Ultraschallstrahls (17,
18, 32) von einem Schallleitkörper (4, 5, 30; 3, 7, 31)
aus dem schallleitendem Material durchsetzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Fenster (2, 3) außerhalb des Bereichs der Schallleit
körper (4, 5, 30; 3, 7, 31) aus einem optisch durchlässi
gen Material besteht und einen optischen Sensor zur Par
tikel- und/oder Konzentrations- oder Dichtebestimmung
aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Schallleitkörper (6, 9) an seiner Grenzfläche (25,
26) mit dem Fluid als konkave oder konvexe Ultraschall
linse ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeich
net, dass jedem Piezoschwingerplättchen (13, 16) des Fen
sters (2, 3) ein Schallleitkörper (6, 9) zugeordnet ist,
wobei die Krümmung der Ultraschalllinse der Frequenz des
jeweiligen Piezoschwingers (13, 16) angepaßt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass zur Konzentrations- oder Dich
temessung durch Ultraschallabsorption der Ultraschallsen
dewandler (S) und der Ultraschallempfangswandler (E) auf
einander ausgerichtet angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Partikelmessung nach dem Ultra
schalldopplerprinzip zu wenigstens einem Ultraschallsen
dewandler (S) wenigstens ein Ultraschallempfangswandler
(E) im Winkel zur Messung der von den Partikeln reflek
tierten, frequenzverschobenen Strahlung (23) angeordnet
ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Partikelmessung durch Ultra
schallrückstrahlung ein Ultraschallwandler vorgesehen
ist, der durch die Steuerschaltung nach dem Senden nach
einer bestimmten Laufzeit auf Empfang umschaltbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zur Schallgeschwindigkeitsmes
sung ein Ultraschallwandler zum Aussenden einzelner Ul
traschallimpulse vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass zwei einander gegenüberliegen
den Fenster (2, 3) zur Konzentrations- oder Dichtemessung
durch Absorption mit jeweils wenigstens zwei aufeinander
ausgerichteten Piezoschwingerplättchen (11, 14; 12, 15),
die mit unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen
und zur Partikelmessung nach dem Ultraschalldopplerprin
zip mit jeweils wenigstens einem Piezoschwingerplättchen
(13, 16) versehen sind, welche in einem Winkel zur Mes
sung der von den Partikeln reflektierten, frequenzver
schobenen Strahlung (23) angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteschal
tung einen digitalen Signalprozessor umfasst.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge
kennzeichnet durch ein von dem Fluid durchströmtes Rohr
(1), bei dem das oder die Fenster (2, 3) mit dem Ultra
schallwandler in der Rohrwand angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 17, dadurch gekennzeich
net, dass das Fenster mit dem Ultraschallwandler im
T-Stück als Sonde in einer Rohrleitung angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das oder die Fenster mit dem Ultra
schallwandler an einer in das Fluid getauchten Sonde an
geordnet ist bzw. sind.
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