DE19944047A1 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration oder Dichte sowie von Partikeln - Google Patents

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.

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.