DE202008010600U1

DE202008010600U1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes von Flüssigkeiten

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Publication number: DE202008010600U1
Application number: DE200820010600
Authority: DE
Original assignee: JAEGER FRANK MICHAEL
Current assignee: JAEGER FRANK MICHAEL
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2018-08-09

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit, durch Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter oder Rohrleitung mit einem Ultraschallwandler, wobei
– der bursterzeugende Ultraschallwandler mit weiteren Funktionseinheiten verbunden ist,
– ein ADC zur Bewertung des empfangenen Burst über eine Funktionseinheit zur Signalverstärkung mit dem Ultraschallwandler verbunden ist,
– diese mit einer weiteren Funktionseinheit zur Zuordnung eines Feststoffgehaltes zum bewerteten Echosignal nach einem Algorithmus verbunden ist,
– der echoerzeugende Reflektor aus der Behälter- oder Rohrwand oder aus einem zusätzlichen Teil besteht.

Description

Derartige Vorrichtungen dazu sind bekannt und werden beispielsweise zur Messung des Schlammgehaltes in Abwasser-behandlungsanlagen angewandt.
Neben den bekannten optischen Messverfahren zur Trübungsmessung gibt es Messverfahren mit Ultraschallwellen. Diese haben den Vorteil, dass sie unabhängig von Farbstoffen in der Flüssigkeit sind.
Die bekannten Messverfahren mit Ultraschallwellen nutzen beispielsweise die Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Konzentration eines gelösten Stoffes in der Flüssigkeit oder sie messen die Abhängigkeit der Dämpfung von Ultraschallwellen beim Durchgang durch die Flüssigkeit.
So wird in der DE 2455749 die Messaufgabe dadurch gelöst, das durch die Ansteuerung des Ultraschallwandlers (Geber) mit elektrischen Einzelimpulsen bei einer niedrigen Impulsfolgefrequenz ein zweiter Ultraschallwandler (Empfänger) die durch die Flüssigkeit gedämpften Signale empfängt. Um ein der Feststoffkonzentration proportionales analoges Signal in Form einer hochfrequenten Wechselspannung zu erhalten, muss das vom Empfänger empfangene Signal nach der Verstärkung gleichgerichtet und integriert werden. Diese Anordnung zur Messung der Feststoffkonzentration besteht zwingend aus zwei Ultraschallwandlern.
Nach der DE 69607175 wird die Feststoffkonzentration über die Ermittlung des Nachschwingens eines Rohrsegmentes erreicht. Dieses Nachschwingen des Rohres wird mit zwei Wandlern erreicht. Dabei wird die Signatur des Nachschwingens bei unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen verglichen.
In der DE 19944047 C2 wird eine Feststoffkonzentrationsmessung nach dem Doppler-Prinzip vorgeschlagen. Die dort vorgeschlagene Messung soll mit wenigstens einem Sender und wenigstens einem Empfänger mit jeweils mindestens zwei Frequenzen erfolgen, wobei Sender und Empfänger im Winkel zueinander angeordnet sind. Der Doppler-Effekt tritt nur bei Flüssigkeiten auf, in welchen die Partikel durch die Rohre strömen. Dieses vorgeschlagene Messverfahren soll die Konzentration durch die Absorption oder durch die Änderung der Schallgeschwindigkeit, aber vorzugsweise durch die Anwendung beider Messverfahren mit unterschiedlichen Frequenzen und dann durch die Korrelation von beiden Messwerten bestimmt werden.
Der aparative Aufwand und die Auswertung der Messergebnisse ist bei diesem Verfahren beträchtlich. Weiterhin ist eine Strömung der zu messenden Flüssigkeit notwendig. Die Anwendung dieses Verfahren in Absetzbehältern oder Sedimentationsbecken ist daher nicht möglich.
In der Druckschrift DE 19935680 A1 wird die Dämpfung einer Ultraschallwelle zwischen zwei Ultraschallwandlern gemessen. Die Messung erfolgt dabei mit unterschiedlichen Frequenzen zwischen 100 kHz und 400 kHz und in verschiedenen Schallpfaden. Der zur Messung notwendige hohe Aufwand ist ebenso hoch wie bei der vorher beschriebenen Druckschrift.
Die DE 19653001 C1 beschreibt eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Durchflussmenge einer Flüssigkeit und der Konzentration nach dem Doppler-Prinzip durch Messung der Schwächung der Amplitude des, Ultraschallsignals. In dieser Vorrichtung sind wenigstens ein Sendeschallwandler und zwei weitere Empfangsschallwandler vorgesehen.
In der Schrift EP 1816107 A1 wird eine Abwasser-Sedimentationsanlage beschrieben, die eine Ultraschall-Schlammspiegelsonde mit einem Ultraschallgeber aufweist, der nach unten senkrecht abstrahlt und von unten senkrecht empfängt. Mit dieser Anordnung ist die Feststoffkonzentration der durchschallten Flüssigkeit nicht messbar.
Weiterhin sind auch noch Schlammdichtemessverfahren bekannt, die nach dem CW-Verfahren arbeiten. Eine Messstrecke mit einem Ultraschallgeber und einem Ultraschallempfänger überträgt ein kontinuierliches Ultraschallsignal. Diese Messstrecke arbeitet in einem Rückkoppelzweig. Bei einer bestimmten Dämpfung durch Feststoffe in der Flüssigkeit wird die Rückkopplung unterbrochen.
Bei den bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Feststoffgehaltsmessung bzw. Schlammdichtemessung sind wenigstens, zwei Ultraschallgeber notwendig.
Bei alle ist daher ein erhöhter Aufwand an Ultraschallgebern und eine spezielle Messtrecke notwendig. Einige Vorrichtungen und Verfahren erfordern zudem noch strömende Flüssigkeiten.
In der Patentschrift DE 102008006144 A1 werden die vorstehenden Mängel vermieden, und es wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorgeschlagen, welches eine kontinuierliche Feststoffgehaltsmessung in Behältern und Rohren gestattet.
Nacheilig ist die genaue Ermittlung der Steuerzeit für die S&H-Stufe. Bedingt durch die Temperaturabhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit, muss die Steuerzeit immer genau angepasst werden, um die Amplitude auf Hold zu schalten.
Die Erfindung soll die Amplitudenmessung des Echos von der Temperaturabhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit unabhängig machen.
Weiterhin soll in einer Weiterentwicklung der Vorrichtung die Signalaufbereitung vereinfacht werden. So muss zum Beispiel zur Erzielung einer möglichst guten Ausnutzung des A/D-Wandlers, mit Gain programmierbaren Vorverstärkern gearbeitet werden, um die unterschiedlichen Dämpfungen bei verschiedenen Rohrdurchmessern oder Reflexionseigenschaften der Reflektoren auszugleichen.
Die Vorrichtung zur Feststoffgehaltsmessung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, das die Vorrichtung die folgenden Funktionseinheiten umfasst:
Funktionseinheit zum Senden eines Bursts aus Ultraschallimpulsen von einem Ultraschallwandler durch die Flüssigkeit und eine Funktionseinheit zum Messen der Dämpfung des empfangenen Bursts aus Echoimpulsen mit dem gleichen Ultraschallwandler. Weiterhin eine Funktionseinheit mit einer gesteuerten Sample&Hold–Schaltung (auch S&H-Einheit genannt) mit einer weiteren Funktionseinheit zur Analog/Digital-Wandlung verbunden ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung betrifft die Vereinfachung bei der Signalaufbereitung. Statt Funktionseinheit zur A/D-Wandlung ist eine Funktionseinheit zur Spannungs-Frequenz-Wandlung nachgeordnet. Wahlweise können weitere Funktionseinheiten zur Wandlung in PWM- oder PFM-Signale mit der Funktionseinheit zur Spannungs-Frequenz-Wandlung verbunden sein.
Die Frequenz bildet die Dämpfungseigenschaften der Flüssigkeit ab und kann als PWM- oder PFM-Signal zu einer weiteren signalbehandelnden Einheit übertragen werden. In dieser wird nach einem Algorithmus ein Feststoffgehalt zugeordnet.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:
1: Prinzip der Messanordnung
1 zeigt das Prinzip einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Feststoffgehaltsmessung. Ein Mikroprozessor 17 ist mit einem Ultraschallsender 16 verbunden. Der Ultraschallwandler 11, der sowohl als Sendewandler als auch als Empfangswandler fungiert ist mit einem Empfangsverstärker 12 verbunden. Der Mikroprozessor 17 steuert die S&H-Einheit 13. Die gesampelte Amplitude des Echobursts wird vom Spannungs-Frequenz-Wandler 14 an die PLL-Regelschleife 15 übergeben.
Aus der frequenzcodierten Impulshöhe des Echoburst, die im Takt des Sendetaktes des Sendebursts vorliegt, wird in einer PLL-Regelschleife 15 ein kontinuierliches Frequenzsignal erzeugt.
In hier nicht dargestellter Weise kann die Frequenz aus dem Spannungs-Frequenz-Wandler 14 auch herunter geteilt werden. Die PLL-Regelschleife 15 kann in bekannter Weise die kontinuierliche Frequenz 1:1 oder in einem anderen beliebigen Teilerverhältnis generieren.
Nicht näher beschrieben sind weitere Signalbehandlungseinheiten zum Beispiel zur PFM- oder PWM-Kodierung.
Die Bestandteile der Vorrichtung können mehr oder weniger integriert sein.
Der Aufbau der Vorrichtung kann sowohl als Kompaktsensor, zum Beispiel mit Schaltausgang und/oder Analogausgang oder auch mit beliebigen Bus-Ausgang, als auch in getrennter Version mit Messumformer zur weiteren Signalbearbeitung erfolgen.
Die Vorrichtung zur Feststoffgehaltsmessung nach den unterschiedlichen Ausführungsvarianten ist nicht an das hier gezeigte Beispiel der Anordnung gebunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2455749 [0004]
- DE 69607175 [0005]
- DE 19944047 C2 [0006]
- DE 19935680 A1 [0008]
- DE 19653001 C1 [0009]
- EP 1816107 A1 [0010]
- DE 102008006144 A1 [0014]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit, durch Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter oder Rohrleitung mit einem Ultraschallwandler, wobei – der bursterzeugende Ultraschallwandler mit weiteren Funktionseinheiten verbunden ist, – ein ADC zur Bewertung des empfangenen Burst über eine Funktionseinheit zur Signalverstärkung mit dem Ultraschallwandler verbunden ist, – diese mit einer weiteren Funktionseinheit zur Zuordnung eines Feststoffgehaltes zum bewerteten Echosignal nach einem Algorithmus verbunden ist, – der echoerzeugende Reflektor aus der Behälter- oder Rohrwand oder aus einem zusätzlichen Teil besteht.
Vorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes einer Flüssigkeit, durch Ermittlung der Transmissionseigenschaften einer Flüssigkeit in einem Behälter oder Rohrleitung mit einem Ultraschallwandler, wobei – der bursterzeugende Ultraschallwandler mit weiteren Funktionseinheiten verbunden ist, – eine Funktionseinheit zur Wandlung die Amplitude des empfangenen Bursts während der Sendepausen mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler enthält, – wahlweise weitere Funktionseinheiten zur Wandlung in PFM- oder PWM-Signale enthält, – der echoerzeugende Reflektor aus der Behälter- oder Rohrwand oder aus einem zusätzlichen Teil besteht.
Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 und/oder 2, wobei – eine vorgeschalteten S&H-Einheit, vor der Funktionseinheit zur A/D-Wandlung oder vor der Funktionseinheit zur Spannungs/Frequenz-Wandlung, zur Haltung der Amplitude des empfangenen Bursts über eine bestimmte Zeit enthält, – eine Funktionseinheit zur Generierung einer kontinuierlichen Frequenz, als Maßeinheit des Feststoffgehaltes, während der Messung nachgeordnet ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Ultraschallwandler und alle nachfolgenden signalbehandelnden Einheiten, einschließlich des Spannungs-Frequenz-Wandler und der PWM- oder PFM-Einheit, eine Baueinheit bilden, – diese über eine Verbindungsleitung mit einer Auswerteeinheit (auch Messumformer genannt) verbunden ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Schutzansprüche 1 bis 3, wobei – der Ultraschallwandler und alle verfahrensnotwendigen Einheiten eine kompakte Baueinheit bilden.