DE2429899C3 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Emulsion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Emulsion mit einer von der Emulsion durchströmten Meßrohrleitung, in der ein röhrenförmiges Meßglied liegt, dem ein Ultraschallwellen in die durch das Meßglied strömende Emulsion aussendendes, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Emulsion feststellendes und daraus die Emulsionskonzentration ermittelndes Meßgerät zugeordnet ist.

Aus der US-PS 30 28 749 ist es bekannt, zur Messung der Dichte eines eine Meßröhre durchströmenden Mediums Ultraschallwellen über einen vorbestimmten Weg durch das Medium zu leiten und aus der gemessenen akustischen Impedanz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem Medium mittels eines zugeordneten Meßinstruments die Dichte des Mediums zu bestimmen. Ein im Prinzip ähnliches Verfahren zur Bestimmung der Dichte von Gasen und zur Feststellung des Anteils eines bestimmten Gases in einer Gasmischung ist in der US-PS 83 750 beschrieben.

Um die Genauigkeit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem Medium zu erhöhen, ist es an sich erwünscht, die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in dem röhrenförmigen Meßglied so niedrig als möglich zu halten. Soll aber auf diese Weise die Konzentration einer Emulsion, beispielsweise einer öl-Wasser-Emulsion, wie sie als Walz- oder Bohröl verwendet wird, gemessen werden, so besteht die Gefahr, daß bei langsam strömender Emulsion eine von der Emulsion sich abscheidende ölige Komponente an der Innenwand des röhrenförmigen Meßgliedes haften bleibt Die an der Innenwand des röhrenförmigen Meßgliedes haftende ölige Komponente beeinflußt die Reflexion der in die Emulsion ausgesandten Ultraschallwellen an der Innenwand und beeinträchtigt deshalb die Messung. Dies hat zur Folge, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Emulsion nicht sehr genau gemessen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Emulsion zu schaffen, die sich durch eine erhöhte Genauigkeit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der das röhrenförmige Meßglied durchströmenden Emulsion auszeichnet

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrohrleitung mit einer Vorrichtung versehen ist durch die eine Wirbelströmung in der durch das röhrenförmige Meßglied strömenden Emulsion erzeugbar ist.

Bei dieser Vorrichtung ist die Anlagerung einer abgetrennten, beispielsweise öligen, Komponente der Emulsion an der Innenwand des röhrenförmigen Meßgliedes verhütet so daß auch eine ungünstige Beeinflussung der Reflexionsverhältnisse der Ultraschallwellen ausgeschlossen ist

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Aufbaues einer Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Emulsion mittels Ultraschallwellen,

Fig.2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung und in einer Seitenansicht,

F i g. 3 die Vorrichtung nach F i g. 2 in einer Teilda; stellung, im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht

Fig.4 das Meßglied der Vorrichtung nach Fig.3, geschnitten längs der Linie 11-11 der Fig.2. in der Draufsicht,

F i g. 5 das Meßglied der Vorrichtung nach F i g. 3, mit einer abgewandelten Vorrichtung zur Erzeugung einer Wirbelströmung, in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt,

Fig.6 das Meßglied nach Fig.5, geschnitten längs der Linie 13-13 der F i g. 5 in der Draufsicht und

F i g. 7 ein Diagramoi zur Veranschaulichung der zeitabhängigen Meßergebnisse der Emulsionskonzentration, wie sie einerseits mittels der Vorrichtung und dem Meßglied nach F i g. 2 und andererseits nach einem bekannten Verfahren erzielt wurden.

In F i g. 1 bildet das röhrenförmige Meßglied 1 einer Vorrichtung A zur Messung der Konzentration einer Emulsion einen Teil einer Zirkulationsleitung einer Schmiermittelemulsion, die als sogenanntes »Bohröl oder Walzöl« benutzt wird.

Das Meßglied 1 besteht aus einem 6 mm dicken Kohlenstoffstahl-Rohr, dessen Außendurchmesser 216,3mm beträgt. Das Meßglied 1 kann aber auch getrennt in Gestalt einer eigenen Meßleitung 66 vorgesehen sein, wie sie bei der später beschriebenen Ausführungsform der Erfindung benutzt wird.

Durch das Meßglied 1 strömt eine zu untersuchende Flüssigkeit oder Emulsion 2. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit, mit der sich Ultraschallwellen in der

Emulsion 2 ausbreiten als Basisfaktor zur Bestimmung des Anteils der öligen Komponente der Emulsion 2 oder deren Konzentration durch pine in Fig. 1 in einem gestrichelten Kasten enthaltene Meßvorrichtung 3 tür die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen bestimmt

Ein Ultraschallwellensender 4 und -empfänger 5 sind an der Außenwand des Meßrohres 1 mittels eines geeigneten Klebstoffes, beispielsweise eines Epoxyd-Hrzklebers, befestigt Um ein stärkeres Haften des Senders und des Empfängers 4 bzw. 5 zu gewährleisten so wird empfohlen, diese Elemente mittels eines geeigneten Bandes ortsfest zu fixieren. Der Ultraschallwellensender 4 besteht aus einem an sich bekannten elektroakustischen Wandler, der beispielsweise aus Bleizirkonat oder Quarz hergestellt ist Der Ultraschallwellenempfänger 5 besteht seinerseits aus einem an sich bekannten elektroakustischen Wandler, der beispielsweise ebenso wie der Ultraschallwellensender 4 aus Bleizirkonat oder Quarz hergestellt und in einem vorbestimmten Abstand von dem Sender an dem Meßglied 1 befestigt ist Beim Empfang von von dem Sender 4 herrührenden Ultraschallwellen gibt der Ultraschallwellenempfänger 5 ein elektrisches Signal ab. Ein Signalwandler 6 der Ultraschallwellengeschwindigkeitsmeßvorrichtung 3 ist ein Impulsgenerator, der dem Ultraschallwellensender 4 ein elektrisches Signal zuführen kann, durch das das Aussenden von Ultraschallwellen ausgelöst wird. Ein Signalempfänger 5 der Ultraschallwellengeschwindigkeitsmeßvorrichtung 3 verstärkt das von dem Ultraschallwellenempfänger 5 abgegebene elektrische Signal. Mit dem Signalsender 6 und dem Signalempfänger 7 ist eine Synchronisationsschaltung 8 der Vorrichtung 3 elektrisch verbunden, die beim Empfang eines elektrischen Signals von dem Signalempfänger 7 ein elektrisches Befehlsimpulssignal an den Signalsender 6 abgibt und außerdem ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen entspricht. Ein aus einer Integrationsschaltung bestehender Digital-Analog-Umsetzer (D-A-Konverter) 9 ist an die Synchronisationsschaltung 8 angeschlossen; er setzt die von der Integrationsschaltung 8 in Gestalt eines Frequenzsignals abgegebene Ausgangsgröße in ein Spannungssignal um. Der Digita'-Analog-Umsetzer 9 ist mit einer Temperaturkompensationsschaltung 10 eines noch zu beschreibenden Aufbaus verbunden, die ihrerseits über einen Meßwandler 12 an einem Temperaturfühler 11 angeschlossen ist, der an dem Meßrohr 1 befestigt ist. Der Temperaturfühler 11 liefert der Temperaturkompensationsschaltung 10 ein der Temperatur der Emulsion 2 entsprechendes elektrisches Signal. Die Temperaturkompensationsschaltung 10 korrigiert solche Fehler in der gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Emulsion 2, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen sind; sie erzeugt ein Ausgangssignal 13, welches genau der tatsächlichen Konzentration der Emulsion 2 entspricht und das ein bestimmter Spannungswert ist.

Der Ultraschallsender 6, der Ultraschallempfän_fear 7, die Synchronisationsschaltung 8 und der Digital-Analog-Umsetzer 9, die gemeinsam die Ultraschallwellengeschwindigkeitsmeßvorrichtung 3 bilden, sind an sich bekannt und deshalb lediglich in Gestalt von Kästchen in F i g; 1 angedeutet. Der erwähnte Temperaturfühler 11 besteht aus einem Thermoelement, beispielsweise einer Platin-Widerstandsthermometerzelle. Der Meßwertwandler 12 verstärkt kleine Änderungen des Widerstandes und der Spannung, die von Temperaturänderungen herrühren, welche von dem Temperaturfühler 11 festgestellt werden; er gibt sodann ein der verstärkten Spannung entsprechendes Signal an die Temperaturkompensationsschaltung 10 ab.

Eine Emulsion, deren Konzentration durch die beschriebene Vorrichtung festgestellt werden kann, ist nicht auf solche Emulsionen beschränkt wie sie zum Schmieren bei Walzstraßen verwendet wird. Der Ausdruck »Emulsion« wird hier ganz allgemein für eine Mischflüssigkeit benutzt, die aus einer Anzahl von Komponenten besteht Dementsprechend fällt auch eine sogenannte Suspension unter eine »Emulsion« im Sinne der vorliegenden Erfindung.

In Fig.2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Vorrichtung A zur Feststellung der Emulsionskonzentration an einer Meßrohrleitung sitzt

Der Emulsionstank 24 weist einen Inhalt von etwa 50 bis 150 m³ auf und enthält ein Rührwerk 60. Das Rührwerk 60 besteht aus einem axial durchströmten Propeller 61, wie er beispielsweise als Schiffspropeller oder Turbinenlaufrad benutzt wird, einer den Propeller 61 tragenden umlaufenden Welle 62 und einem Leitrohr 63, das den Propeller 61 und die umlaufende Welle 62 umgibt Das Leitrohr 63 ist in seinem oberen und unteren Bereich mit einer Reihe von durchgehenden Schlitzen 63a versehen, die axial bezüglich des Leitrohres 63 verlaufen und längs dessen Umfang angeordnet sind. Der Propeller 61 saugt Emulsion durch die oberen Schlitze 63a in das Leitrohr 63 ein und drückt die Emulsion durch die unteren Schlitze 63a wieder nach außen, wodurch eine kräftige Vermischung des in dem Emulsionstank 24 enthaltenen Wassers und Öles zu einer homogenen Emulsion geschieht Die Meßrohrleitung enthält Probe- oder Saugrohre 64a, 646, 64c, eine Probenrückführleitung 65 und ein Meßrohr 66, das zwischen dem Saugrohr 64a und dem Rückführrohr 65 liegt. Das Meßrohr 66 ist mit einer Vorrichtung A zur Bestimmung der Emulsionskonzentration ausgerüstet. Das Meßrohr 66 entspricht dem Meßglied 1 der F i g. 1. In F i g. 2 ist die Vorrichtung A in einem gestrichelten Kästchen veranschaulicht. Die einzelnen Elemente der Vorrichtung A, nämlich die Ultraschallwellengeschwindigkeitsmeßvorrichtung 3, der Ultraschallwellensender 4, der Ultraschallwellenempfänger 5, der Temperaturfühler 11 und der Meßwertwandler 12 entsprechen den gleichen Elementen wie in Fig. 1, so daß sich ihre Beschreibung erübrigt

Das Saugrohr 64a ist mit einem Regelventil 67 versehen. Zwischen den Saugrohren 64a, 646 liegt eine Schaumabführvorrichtung 68. Zwischen die Saugrohre 64b, 64c ist eine Pumpe 69 eingefügt. Die Saugrohre Mb 64c sind mit Ventilen 70,71 versehen, die auf der Saugbzw. Druckseite der Pumpe 69 liegen. Das Saugrohr 64c ist einenends an das untere Ende des Meßrohres 6ί angeschlossen.

Ein Ende des Rückführrohres 65 ist mit dem oberer Ende des Meßrohres 66 verbunden, während das ander« Ende des Rückführrohres 65 über die obere Öffnung de: Emulsionstankes 24 in die Emulsion eingeführt ist. Ii dem Rückführrohr 65 liegt ein Ventil 72.

Die Abschäumvorrichtung 68 enthält einen kleiner Tank 73, in dem ein Rührwerkspropeller 74 sitzt außerdem ist ein Filter 75 am oberen Ende de Saugrohres 64a vorgesehen, während oberhalb de kleinen Tankes 73 ein Niveauregler 76 angeordnet isi Der Tank 73 hat einen Inhalt von etwa 501; er nimm zeitweilig die von dem Saugrohr 64a herangeführt'

Emulsion auf. Das Filter 75 besteht aus einem Stahlsieb oder -gewebe von etwa 60 Maschen. Das Filter 75 entfernt die in der Emulsion enthaltenen zahlreichen Luftblasen, bevor die Emulsion über das Saugrohr 64a in den Tank 73 eingebracht wird, so daß in den Tank 73 lediglich eine von Luftblasen völlig freie Emulsion eingeleitet und die Strömungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Die letztgenannte Funktion des Filters 75 gewährleistet, daß die Emulsion in dem Tank 73 eine beruhigte Oberfläche aufweist, womit die Möglichkeit der Bildung von neuen Luftblasen ausgeschaltet wird.

Der Rührwerkspropeller 74 in dem Tank 73 läuft so langsam um, daß er nur die Trennung der öligen Komponente der Emulsion von der wäßrigen Komponente verhütet und die gleichmäßige Konzentration der Emulsion damit aufrechterhält. Der Niveauregler 76 ist elektrisch mit dem Regelventil 67 verbunden, das er in dem Sinne beeinflußt, daß die Niveauhöhe der Emulsion in dem Tank 73 konstant gehalten wird.

Die Vorrichtung A zur Bestimmung der Emulsionskonzentration, die an dem Meßrohr 76 sitzt, schickt Ultraschallwellen durch die das Rohr 66 durchströmende Emulsion hindurch und bestimmt damit die Konzentration der Emulsion aus der Geschwindigkeit der sich durch die Emulsion ausbreitenden Ultraschallwellen, wie dies im Zusammenhang mit F i g. 1 schon erläutert worden ist.

In der Nähe des unteren Endes des Meßrohres 66 oder strömungsaufwärts davon ist eine Wirbelstromerzeugungsvorrichtung 77 vorgesehen, die zwei Düsen 78 aufweist, welche den Mantel des Meßrohres 66 achssymmetrisch durchdringen. Die beiden Düsen 78 sind über zwei Zweigleitungen 79. in denen Ventile 80 liegen, an das Saugrohr 64c angeschlossen. Wie aus F i g. 3 zu ersehen, durchdringen die Düsen 78 den Mantel des Meßrohres 66 in einer bezüglich der Achse des Meßrohres 66 nach oben geneigten Lage, wobei ihre offenen Enden schräg nach oben gerichtet sind. Die sich gegenüberliegenden offenen Enden des Düsenpaares 78 sind, wie aus Fig.4 zu entnehmen, in der Nähe der Tangente der inneren Umfangswand des Meßrohres 66 so angeordnet, daß sie die Emulsion längs dieser Umfangswand in jeweils entgegengesetzter Richtung wie durch Pfeile angegeben, ejizieren. Die beiden von dem Saugrohr 64c abgezweigten Emulsionsströme werden durch die Zweigleitungen 79 geleitet und aus den offenen Enden der Düsen 78 in das Meßrohr «ingespritzt. Diese Zweigströme werden mit dem am unteren Ende unmittelbar in das Meßrohr 66 eingeleiteten Hauptemulsionsstrom vermischt wobei sich eine Wirbelströmung einstellt, wie sie in Fig.4 dargestellt fet, die eine Entmischung der öligen Komponente von der wäßrigen Komponenteand ein Festsitzen der öligen Komponente an der ii.ienwand des Meßrohres §6 verhütet bzw. an der Innenwand des Meßrohres bereits abgelagerte ölige Komponenten wieder abkratzt, womit eine gleichmäßige Konzentration der Emulsion erzielt wird. Die Anordnung der Wirbelstromerzeugungsvorrichtung 77 strömungsaufwärts des Meßrohres 66 unmittelbar vor der Stelle, an der die Emulsionskonzentration bestimmt wird, gewährleistet, daß die Vorrichtung A die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen oder die Emulsionskonzentration genau mißt.

In F i g. 5 sind in Abhängigkeit der Zeit die Ergebnisse der Messung von Unterschieden der Emulsionskonzentration dargestellt, welche sich zwischen dem Fall, in dem die Wirbelstromerzeugungsvorrichtung 77 an das Meßrohr 66 angeschlossen war und den Fall ergaben, in dem die Messung nach dem bekannten Verfahren durchgeführt wurde. Dieser Versuch wurde angestellt, um herauszufinden, wie die Emulsionskonzentration bei dem Walzbetrieb zeitabhängig langsam abnimmt, wenn kein Wasser oder öl ergänzt wird. Da die Emulsionskonzentration sich lediglich mit der Zeit änderte, wurde angenommen, daß die Konzentration sehr langsam abfallen würde. Wie jedoch aus F i g. 5 zu ersehen, ergab das bekannte Verfahren bemerkenswert große Abweichungen bei der Messung, was bedeutet, daß das Verfahren sehr unstabil war, während die erfindungsgemäße Meßeinrichtung richtig die für langsamen, zeitabhängigen Änderungen der Emulsionskonzentration angab.

Wenn auch in den F i g. 3,4 lediglich ein Düsenpaar 78 angedeutet ist so ist die Zahl der Düsen im Rahmen der Erfindung noch nicht auf zwei beschränkt

Die Fig.6. 7 zeigen eine andere Ausführungsform einer Wirbelstromerzeugungsvorrichtung 77. Bei dieser Ausführungsform sind die erwähnten Düsen 78 durch eine Anzahl schräger Prallplatten 81 ersetzt. Die vier Prallplatten 81, die in Fig.7 dargestellt sind, sind rechtwinklig zu der Innenwand des Meßrohres 66 um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Achse des Meßrohres 66 geneigt angeordnet. Die Prallplatten 81 sind geringfügig strömungsaufwärts an der Stelle vorgesehen, an der die Vorrichtung 41 die Bestimmung der Emulsionskonzentration durchführt Eine vom bodenseitigen Ende des Meßrohres 66 nach ober steigende Emulsion gelangt somit in einen Wirbelstrom zwischen den schrägliegenden Prallplatten 81 hindurch zu der Meßstelle, wodurch ein Festhaften einer etwa abgetrennten öligen Komponente der Emulsion an dei Innenwand des Meßrohres 66 verhütet und demgemäi eine sehr genaue stabile Messung der Emulsionskonzen tration gewährleistet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   . 1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration ^feiner Emulsion mit einer von der Emulsion durchströmten Meßrohrleitung, in der ein röhrenförmiges Meßglied liegt, dem ein Ultraschallwellen in die durch das Meßglied strömende Emulsion aussendendes, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in der Emulsion feststellendes und daraus die Emulsionskonzentration ermittelndes Meßgerät zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrohrleitung (64a, 646,64c; 65,66) mit einer Vorrichtung (77) versehen ist, durch die eine Wirbelströmung in der durch das röhrenförmige Meßglied (66) strömenden Emulsion erzeugbar ist
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (77) zur Erzeugung der Wirbelströmung vor der Meßrohrleitung (64c) getrennte Zweigleitungen (79) aufweist, an deren innenliegenden Enden Düsen (78) angeschlossen sind, die die Wand des röhrenförmigen Meßgliedes (66) in einer bezüglich der Längsachse des Meßgliedes (66) nach oben geneigten Lage durchdringend angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung der Wirbelströmung eine Anzahl von Prallplatten (81) aufweist, die an der Innenwand des röhrenförmigen Meßgliedes (66) rechtwinklig dazu angeordnet sind und die bezüglich der Längsachse des röhrenförmigen Meßgliedes (66) um einen vorbestimmten Winkel nach oben geneigt ausgerichtet sind.

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