DE2716833B2 - Verfahren und Einrichtung zur Prüfung der Eigenschaften von Material in einem Behälter - Google Patents

Description

>o Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Prüfung der Eigenschaften von Material in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

r> Die Erfindung bezieht sich ajso auf die Technik der automatischen Kontrolle und Überwachung von technologischen Parametern in Produktionsprozessen verschiedener Industriezweige mittels akustischer Schwingungen.

in Die Erfindung kann in automatischen Steuerungssystemen für hydrometallurgische und Aufbereitungsprozesse in der Eisen- und Nichteisenmetallurgie, in der chemischen, Erdöl- und Nahrungsmittelindustrie sowie in anderen Industriezweigen zur automatischen kon-

s") taktlosen Prüfung der Eigenschaften von Materialien in Behältern benutzt werden.

Die zu überwachenden Produktionsprozesse können durch verschiedene Faktoren gekennzeichnet sein, welche die Eigenschaften von Medien destabilisieren und bestimmte Störungen und Schwierigkeiten beim Einsatz von Mitteln zur Kontrolle der Stoffeigenschaften verursachen. Bei mehreren Produktionsprozessen gehören zu solchen Faktoren die inkonstante oder erhöhte Dämpfung akustischer Schwingungen in dem

zu kontrollierenden Stoff, unstabile Dielektrizitätskonstante, die Vermengung der zu kontrollierenden Flüssigkeit mit Luftbläschen, instabile Konzentration von schwebenden festen Teilchen in der Flüssigkeit
Die wichtigste Forderung, die an die Verfahren und Einrichtungen zur Kontrolle der Eigenschaften von ^;n Behältern befindlichen Stoffen, z. B. zur Kontrolle der Konzentration von flüssigen Lösungen gestellt wird, ist die möglichst große Reduzierung des Einflusses solcher destabilisierenden Faktoren auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Kontrolle. Weiterhin werden eine ausreichende Empfindlichkeit der Kontrolle, ihre Sicherheit für das Bedienungspersonal, einfacher Aufbau der Kontrolleinrichtung sowie ihr geringer Handelspreis gefordert

Für die Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen, die sich in Behältern befinden, können verschiedene Verfahren und Einrichtungen zu ihrer Realisierung benutzt werden, die auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen und nach ihren technologischen

&5 Merkmalen in zwei Gruppen eingeteilt werden: Sonden- und kontaktlose Verfahren und Geräte. Bei der ersten Gruppe werden die zur Aufnahme der Information über den zu kontrollierenden Stoff bestimmten

Pohlorgane in das Innere des den Stoff enthaltenden technologischen Behälters eingeführt und treten mit diesem Stoff in Kontakt Bei der zweiten Gruppe befinden sich die Fühlorgane außerhalb des Behälters und sind der Einwirkung des zu kontrollierenden Stoffes nicht ausgesetzt

Bekannt sind z. B. ein zur ersten Gruppe gehörendes Resonaftuverfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen nach der JA-PS 2600/66. Bei diesem Verfahren werden im Behälter ein Ultraschallstrahler und ein Reflektor in einem bestimmten Abstand vom Strahler angeordnet. Zwischen dem Strahler und dem Reflektor bildet sich eine stehende Ultraschallwelle, deren Frequenz von den Eigenschaften des Stoffes abhängt, in dem sich der Ultraschallstrahler und der Reflektor befinden. Außer dem Ultraschallstrahler und dem Reflektor gehören zur Einrichtung, die dieses Verfahren realisiert, ein mit dem üitraschaiistrahier elektrisch verbundener breitbandiger elektrischer Generator und ein Registriergerät, das die Frequenzänderungen bei der akustischen Selbsterregung der zwischen dem Ultraschallstrahler und dem Reflektor liegenden Stoffschicht registriert

Bei der Kontrolle der Eigenschaften von zähflüssigen Medien mit schwebenden festen Teilchen weisen aber dieses Verfahren und diese Einrichtung infolge der am Ultraschallstrahler und Reflektor anhaftenden Teilchen eine niedrige Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf.

Bei einem bekannten, zur ersten Gruppe gehörenden kapazitiven Verfahren und einer entsprechenden Einrichtung (vgl. zum Beispiel die Zeitschrift »Automatisierungsgeräte und -mittel«, Moskau, 1962, Nr. 7, S. 439 ... 440) wird im Behälter ein aus zwei Platten (oder Stäben) mit freiem Zwischenraum bestehendes Fühlorgan angeordnet und die Kapazität dieses Fühlorgans gemessen, die von der Dielektrizitätskonstante des den Zwischenraum füllenden Mediums abhängig ist. Nach dem gemessenen Kapazitätswert bestimmt man die zu kontrollierenden Eigenschaften des Stoffes im Behälter. Neben dem kapazitiven Fühlorgan enthält die zur Realisierung dieses Verfahrens dienende Einrichtung noch ein Gerät zur Registrierung von Änderungen der Fühlerkapazität die sich bei Änderungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft ergeben.

Nachteilig bei diesem Verfahren und dieser Einrichtung zur Kontrolle der Stoffeigenschaften ist ihre niedrige Zuverlässigkeit die durch Instabilität der Dielektrizitätskonstante von Medien und Änderung des Zwischenraumes im Fühler, d. h. seine Kapazitätsänderung infoige anhaftender Teilchen bedingt ist

Es ist auch ein zur ersten Gruppe gehörendes Impedanzmeßverfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Kontrolle von Stoffeigenschaften (z.B. nach US-PS 32 46 546) bekannt

Bei diesem Verfahren wird die elektrische Impedanz eines im Behälter angeordneten Ultraschallstrahlers gemessen, deren Größe sich je nach den Eigenschaften des den Strahler umschließenden Stoffes ändert Die zur Verwirklichung dieses Verfahrens bestimmte Einrichtung enthält einen Ultraschallstrahler, einen mit diesem Strahler verbundenen elektrischen Schwingungsgenerator und ein Gerät zur Registrierung der elektrischen Strahlerimpedanz.

Diese Verfahren und die Einrichtung sind aber durch geringe Genauigkeit der Kontrolle von Stoff eigenschaften sowie durch ungenügende Zuverlässigkeit der Kontrolle gekennzeichnet Diese Mangel ergeben sich infolge geringer Änderungen der elektrischen Strahlerimpedanz, die durch unterschiedliche Bedämpfung des Strahlers durch das Medium bei Änderungen der Eigenschaften dieses Mediums hervorgerufen werden.

Ein gemeinsamer Mangel aller drei beschriebenen Verfahren und Einrichtungen der ersten Gruppe besteht außerdem darin, daß die Fühlorgane im Inneren des Behälters angeordnet werden müssen, wobei der technologische Prozeß für Montage, Wartung und Reparatur der Einrichtung unterbrochen werden muß.

ίο Außerdem sinken die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit solcher Einrichtungen rapide in den Fällen, wenn die Behälter chemisch aggressive Flüssigkeiten enthalten.
Von diesen Mängeln sind die Verfahren und die

ι "ι Einrichtungen der erwähnten zweiten Gruppe frei.

Bekannt sind ein zur erwähnten zweiten Gruppe gehörendes Isotopenverfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Kontrolle von Stoffeigenschaften, z. B. der Konzentration von wäßrigen Lösungen (beschrie-

.'" ben z. B. im Buch von I. W. Butassow »Automatische Meß-, Kontroll- und Regelgeräte«, Verlag für erdöl- und erdbrennstofftechnische Literatur, Leningrad, 1958).

Bei diesem Verfahren wird die sich bei Änderungen der Eigenschaften von Stoffen in Behältern ergebende

.'■> unterschiedliche Absorption der radioaktiven Strahlung bestimmt, die den technologischen Behälter quer zu seiner Achse durchdringt. Die zur Realisierung dieses Verfahrens bestimmte Einrichtung enthält eine Strahlungsquelle und einen Strahlungsempfänger, die an

3i) verschiedenen Seiten der Behälteraußenfläche angeordnet werden, sowie ein mit dem Empfänger verbundenes Registriergerät

Die Mängel dieses Verfahrens und dieser Einrichtung, die zur Bestimmung von Trennflächen der Medien

r> benutzt werden, bestehen in ihrer ungenügenden

Genauigkeit ihrem komplizierten Aufbau, in hohen Kosten der Einrichtung sowie in der eventuellen Bestrahlungsgefahr für das Bedienungspersonal. Bei einem anderen Verfahren zur Kontrolle von

Eigenschaften der in Behältern befindlichen Stoffe (vgl. zum Beispiel US-PS 32 13 438) werden impulsförmige akustische Schwingungen formiert, die in den zu kontrollierenden Stoff durch die Wand des diesen Stoff enthaltenden Behälters in der Normalenrichtung zu dieser Wand periodisch eingeführt werden. Die durch die Behälterwand eindringenden akustischen Signale werden empfangen und zum elektrischen Signal umgeformt das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt

so Beim zuletzt beschriebenen Verfahren beurteilt man die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes nach der Amplitude des elektrischen Signals, deren Änderungen in diesem Falle durch Unterschiede beim Durchgang der akustischen Welle durch den im Inneren des Behälters eingeschlossenen zu kontrollierenden Stoff bedingt sind.

Es ist eine Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen z. B. nach dem SU-Erfinderschein 2 07 459 bekannt, die einen an einen Impulsgenerator angeschlossenen akustischen Wandler enthält, .der unmittelbar an die Außenfläche der Behälterwand angebracht wird und akustische Schwingungsimpulse formiert, die in den zu kontrollierenden Stoff durch die Behälterwand eingeführt und dann empfangen sowie in elektrische Signale umgewandelt werden. Die letzteren gelangen zum Signaleingang einer Formierungsschaltung, die ein elektrisches Signal mit der Information fiber die Eigenschaften des zu

kontrollierenden Stoffes liefert Der Ausgang dieser Schaltung ist mit dem Eingang einer Meßeinheit verbunden, die an ein Gerät zur Registrierung der Amplitude dieses elektrischen Signals angeschlossen ist. Nach der Amplitude erkennt man die Änderungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft

Bei der Anwendung des letzteren Verfahrens zur Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen in Behältern sowie der zur Realisierung des Verfahrens bestimmten Einrichtung in vielen industriellen Prozessen wie bei der bergbautechnischen Aufbereitung, bei hydrometallurgischen und mehreren chemischen Prozessen läßt sich aber die Kontrolle nicht mit erforderlicher Genauigkeit durchführen, wobei sich bedeutende Fehler sowie ein komplizierter Aufbau der Einrichtungen und ihre hohen Kosten ergeben.

Dies ist dadurch bedingt, daß die in Frage kommenden Behälter große Querschnittsabmessungen VOn S bis IG i)i aufweisen, wobei eine starke Beugungsdispersion der akustischen Welle und eine starke Abschwächung ihrer Amplitude in der Empfangszone auftreten. Die Verringerung des Beugungseffektes ist durch Vergrößerung der Strahlerabmessungen und der Frequenz der auszustrahlenden Welle möglich, wobei dies wiederum eine große Erhöhung der Leistung des elektrischen Schwingungsgenerators mit entsprechend komplizierterem Aufbau und mit Erhöhung der Kosten dieser Einrichtung erfordert.

Das Vorhandensein von Gasbläschen und festen Teilchen in flüssigen Medien der Behälter führt außerdem zu einer bedeutenden Streuung der sich darin ausbreitenden akustischen Welle und zur Abschwächung der Amplitude der empfangenen Welle, wobei diese Abschwächung mit Vergrößerung der Behälterabmessungen exponentiell ansteigt. Dadurch ergeben sich große Fehler, in mehreren Fällen wird die praktische Benutzung des Verfahrens und der Einrichtung deswegen unmöglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Prüfung der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossene Materialien zu entwickeln sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei denen die Benutzung eines Behälterwandabschnitts als Quelle der Information über die Materialeigenschaften sowie die Ausnutzung des zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem zu prüfenden Material entstehenden akustischen Impulsnachhalls die Durchführung der Prüfung von Materialeigenschaften mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit ermöglichen und eine Vereinfachung des Aufbaus der Einrichtung und ihrer Bedienung mit Senkung der Kosten der zu bedienenden Ausrüstung ergeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre nach dem Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 11.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung zur Prüfung der Eigenschaften von Materialien in Behältern ergeben gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen eine Reihe von Vorteilen.

Das Verfahren und die Einrichtung ermöglichen eine bedeutende Verringerung von Fehlern bei der Prüfung der Eigenschaften von Materialien in Behältern und führen somit zur Erhöhimg der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit der Prüfung.

Erstens schließt dieses Verfahren bei der Prüfung der Eigenschaften von in Behältern befindlichen Materialien vollkommen die Fehler aus, die durch die Beugungsdispersion der akustischen Welle in den zu prüfenden Materialien in Behältern hervorgerufen werden, da die Registrierung der sich in diese Materialien fortpflanzen-

-> den Welle entfällt. Bei den akustischen Schwingungen aber, die sich in der Behälterwand fortpflanzen und gemäß der Erfindung registriert werden, tritt der Beugungseffekt bedeutend schwächer in Erscheinung und übt praktisch keinen Einfluß auf die Genauigkeit der

in Prüfung aus.

Zweitens beseitigt das Verfahren vollkommen die Fehler, die sich durch starke Dämpfung der akustischen Welle in den zu prüfenden Materialien ergeben. Dies wird dadurch erreicht, daß bei diesem Verfahren als

ι ■> akustisches Signal für die Beurteilung der zu prüfenden Materialeigenschaft die Umhüllende des akustischer. Impulsnachhalls benutzt wird, der zwischen der Außenfläche der Behälterwand und dem zu prüfenden material eriisiehi, vvubei die Kennwerte dieser uin'nüi- !enden von der Dispersion der akustischen Welle in den in Behältern eingeschlossenen Materialien, z. B. in flüssigen Lösungen unabhängig sind.

Der Aufbau der zur Durchführung des Verfahrens bestimmten Einrichtung wird wesentlich vereinfacht, da

>·> sich die Möglichkeit ergibt, einen kleineren akustischen Wandler zu verwenden, die Leistung des elektrischen Schwingungsgenerators bedeutend herabzusetzen und akustische Schwingungen mit Hilfe desselben akustischen Wandlers zu empfangen. Dies wird dadurch

jo möglich, daß die Notwendigkeit entfällt, die Leistung der akustischen Welle für ihren Durchgang von großen industriellen Behältern stark zu erhöhen, wie dies bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist. Dieser Vorteil ergibt sich auch daraus, daß der Empfang der

υ akustischen Signale mit dem gleichen zur Erzeugung von akustischen Schwingungen bestimmten akustischen Wandler und in der gleichen Zone erfolgt, in der die akustischen impuisschwingungen in die Wand des Behälters mit dem zu prüfendem Material eingeführt werden.

Im folgenden wird statt »Material« auch ve η »Stoff« und statt »Prüfung« auch von »Kontrolle« gesprochen.

An Hand der Zeichnung mit der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen wird die

Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 die Einrichtung zur Prüfung der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Materialien,

F i g. 2 Diagramme a, b, c, d, e, in denen auf der Abszissenachse die Zeit und auf der Ordinatenachse die Amplituden des vom Impulsgenerator erzeugten elektrischen Schwingungsimpulses, der Selektorimpulse, der Umhüiienden des akustischen Impulsnachhalis und des elektrischen Informationssignals abgetragen sind,
Fig.3 die Einrichtung nach Fig. 1 mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalis in der elektrischen Schaltung,

F i g. 4 die Einrichtung nach F i g. 1 mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls, einer Divisionseinheit für elektrische

bo Signale und einem Referenzsignalformer in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

F i g. 5 die Einrichtung nach F i g. 1 mit einer Begrenzerschaltung zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Ampüladen-'pegeln, einem Informationssignalformer und einem Referenzsignalformer in der elektrischen Schaltung,

Fig.6 die Einrichtung nach Fig.5 mit einem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen

Impulsnachhalls zur Steuerung des unteren Amplitudenpegels in der erwähnten Hüllkurven-Begrenzerscha!- tung,

F i g. 7 die Einrichtung nach F i g. 1 mit der Hüllkurven-Begrenzerschaltung zur Begrenzung der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, mit einer Differenzierschaltung, einer Zeitverzögerungseinheit zur Verzögerung elektrischer Impulse und einer Zeitintervall-Meßschaltung in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

F i g. 8 die Einrichtung nach F i g. 7 mit dem Spitzendetektor für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls und einer Einheit zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

Fig.9 die Einrichtung nach Fig. 1 mit elektronischem Kanal zur Herauslösung eines Abschnitts aus der Hinttrflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhaiis und einem Spitzendetektor für diesen Abschnitt im Informationssignalformer der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

Fig. 10 die Einrichtung nach Fig.9 mit einem zusätzlichen elektronischen Kanal zur Herauslösung eines zweiten Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, mit einem Detektor für diesen Abschnitt und einem Differential-Meßkanal in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

F i g. 11 die Einrichtung nach F i g. 9 mit dem zusätzlichen elektronischen Kanal zur Herauslösung des zweiten Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, mit dem Spitzendetektor für diesen Abschnitt, der Divisionseinheit für elektrische Signale und dem Differential-Meßkanal in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

Fig. 12 die Einrichtung nach Fig. 1 mit zwei Normimpulsformern zur Formierung genormter elektrischer impulse aus den Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und mit einer Baueinheit zur Messung der Zeitdifferenz bei der Formierung von genormten elektrischen Impulsen in der elektrischen Schaltung der Einrichtung,

Fig. 13 Diagramme a, b, c, d, e, f, in denen auf der Abszissenachse die Zeit und auf der Ordinatenachse die Amplituden des vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuises, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplituden-Begrenzungsniveaus, eines beiderseitig begrenzten Impulses, eines Signals am Ausgang des Spitzendetektors für diese Umhüllende, des Informationssignals und des registrierten Signals abgetragen sind,

F i g. 14 Diagramme a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k mit dem vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplituden-Begrenzungsniveaus, dem beiderseitig begrenzten Impuls, den in der Differenzierschaltung entstehenden Spannungs-Nadelimpulsen, dem Ausgangsimpuls der Differenzierschaltung, dem Signal am Ausgang des Spitzendetektors, dem Impuls mit vorgegebener Dauer, den Spannungs-Nadelimpulsen, die in der Differenzierschaltung formiert werden, dem elektrischen Referenzimpuls, dem die Information tragenden Impuls und dem elektrischen Informationssignal,

F i g. 15 Diagramme a, b, c d, e, f, g, h, / mit dem vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls, dem ersten Seiektorimpuls, einem Impuls, der dem ersten

ι ο

herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke der erwähnten Umhüllenden entspricht, dem elektrischen Informationssignal am Ausgang des Spitzendetektors, dem elektrischen Referenzsignal mit der Amplitude, die der Maximalamplitude der Umhüllenden propotional ist, dem zweiten Seiektorimpuls, dem Ifnpuls, der dem zweiten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke «3er Umhüllenden entspricht, der Gleichspannung am Ausgang des Spitzendetektors,

Fig. 16 Diagramme a, b, c, d, e, f, g mit dem vom Generator erzeugten elektrischen Schwingungsimpuls, der ersten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und dem dieser Umhüllenden entsprechenden genormten elektrischen Impuls, der zweiten Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls und dem dieser Hüllkurve entsprechenden genormten elektrischen Impuls und den Rechteckimpulsen, deren Dauer durch die Zeitdifferenz bei der Formierung von genormten Impulsen bestimmt wird.

Die vorgeschlagene Einrichtung zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen enthält einen an den Impulsgenerator 1 angeschlossenen akustischen Wandler 2 (Fig. 1), der unmittelbar an der Außenfläche der Behälterwand 3 angeordnet ist.

In der Ausführungsvariante der Einrichtung, die nachstehend beschrieben wird, dient als akustischer Wandler ein piezoelektrischer Wandler (vgl. zum Beispiel US-PS 29 31 233). Der Impulsgenerator 1 ist na..h einer Stoßerregungsschaltung aufgebaut, die z. B. im Buch von N. I. Brashnikow »Ultraschallverfahren«, Moskau, Verlag xEnergia«, 1965, S. 146 ... 149 beschrieben ist.

Unter Einwirkung der vom Generator 1 erzeugten elektrischen Schwingungsimpulse 4 formiert der akustische Wandler 2 akustische Schwingungsimpulse 5, die in den zu kontrollierenden Stoffe durch die Behälterwand 3 eingeführt und dann empfangen und in akustische Signale 7,8 umge\i andelt werden.

Zur näheren Erläuterung des vorgeschlagenen Verfahrens der Kontrolle von Eigenschaften der in Behältern eingeschlossenen Stoffe sind in F i g. 2 Zeitdiagramme a, b, c, d, e dargestellt.

Das Diagramm »a« (F i g. 2) mit der auf der Ordinatenachse abgetragenen Amplitude des elektrischen Schwingungsimpulses 4 zeigt das durch mehrfache Reflexion der akustischen Schwingungsimpulse 9 (Fig. 1) bedingte Signal 7. Infolge der mehrfach reflektierten akustischen Schwingungsimpulse 9 (Fig. 1) entsteht zwischen der Außenfläche der Behälterwand 3 und dem zu kontrollierenden Medium 6 der akustische Impulsnachhai!. Das Signal 8 (F i g. 2) ist durch den von der gegenüberliegenden Seite der Innenfläche der Behälterwand 3 reflektierten Schwingungsimpuls 10 bedingt, welcher den zu kontrollierenden Stoff 7 zweimal durchläuft Die erwähnten Signale 7 und 8 liegen im zeitlichen Abstand τ (F i g. 2, Diagramm »a«) bzw. r + Γι vom Beginn der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 in die Wand 3.

In der Einrichtung ist eine Reihenschaltung 11 (F i g. 1) vorgesehen, die im allgemeinen zum Empfang und zur Umwandlung der akustischen Signale 7 bestimmt ist, in denen die Information über den zu kontrollierenden Stoff 6 enthalten ist Die Reihenschaltung 11 enthält eine Zeitverzögerungseinheit 12 zur zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse um die Zeit T2 ^ τ (Fig.2, Diagramm »έκ<Χ deren Eingang am Ausgang des Impulsgenerators 1 (Fig. 1) liegt, einen

Selektorimpulsgenerator 13, dessen Selektorimpulse 14 die Dauer

f3 ί

Τ\ —

haben (Fig.2, Diagramm »b« mit der auf der Ordinatenachse abgetragenen Amplitude des Impulses 14) sowie einen Selektorverstärlcer 15 (Fig. 1) für akustische Signale, dessen Signaleingang an den akustischen Wandler 2 angeschlossen ist Bei dieser schaltungstechnischen Lösung gewährleistet die Reihenschaltung 11 die Trennung der akustischen Signale 7 vcm akustischen Signal 8 und von den Impulsen 4 des Generators 1.

In der betreffenden Ausführungsvariante der Erfindung ist dun Selektorimpulsgenerator die Schaltung eines Rechteckimpulsformers und dem Selektorverstärker eine bekannte Schaltung (z. B. nach dem Buch von N. L Brashnikow »Ultraschall-Phasenmessung«, Moskau, Verlag »Encrgia«, 1968, S. 163... 164, Bild 4, 5) zugrunde gelegt

Die Einrichtung enthält auch einen Hüllkurvenckimodulator 16 für eine der Umhüllenden 17 oder IR des akustischen Impulsnachhalls (Fig.2, Diagramm »c« bzw. »d«, auf deren Ordinatenachsen die Amplituden dieser Umhüllenden 17 bzw. 18 abgetragen sind). Der Eingang des Hüllkurvendemodulators 16 ist an den Ausgang des Selektorverstärkers 15 angeschlossen, während sein Ausgang am Signaleingang des Informationssignalformers 19 Hegt, der das elektrische Informationssignal 20 liefert Der Hüllkurvendemodulator ermöglicht die Benutzung der erwähnten Umhüllenden 17 oder 18 als akustisches Signal.

Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung nur eine der Umhüllenden, und zwar die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls benutzt In der betreffenden Ausführungsvariante der Einrichtung ist der Hüllkurvendemodulator 16 als Dioden-Demodulatorschaltung aufgebaut (vgl. zum Beispiel das Buch von N. I. Brashnikow »Ultraschall-Phasenmessung«, Moskau, Verlag »Energie«, 1968, S, 179, Bild 4.10).

Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt, erfolgt auf verschiedene Weise.

Einer der Wege hierzu ist die Bestimmung der Fläche, die durch eine der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls und den Nullpegel dimer Umhüllenden begrenzt ist, und dann die Ermittlung des Verhältnisses dieser Fläche zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T (F i g. 2, Diagramm »a«) zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist. Hierbei wird der Signalformer 19 für das elektrische Informationssignal 20 (Fig.2, Diagramm »e« mit der auf der Ordinatenachse abgetragenen Amplitude des Signals 20) als Hüllkurven· integrator 21 (Fig. 1) für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls ausgeführt, dessen Eingang mit Hilfe des Emitterfolger» 22 mit dem Ausgang des Hüilkurvendemodulators 16 für diese Umhüllende 17 elektrisch verbunden wird und dessen Ausgang an den Eingang der Meßeinheit 23 geschaltet wird, die ihrerseits an ein Registriergerät 24 angeschlossen ist

In der vorliegenden Ausführungsvariante der Einrichtung ist der Integrator 21 nach einer bekannten resistivkapazitiven Schaltung aufgebaut (vgl. zum Beispiel PR-PS2087 703,Fig. 1).

Je nach der gewünschten Form der Information übei den zu kontrollierenden Stoff kann das Registriergerät

24 als Digitalzähler, Schreiber oder Relais ausgeführt werden. In dieser Ausführungsvariante wird ein bekanntes Schreibgerät (vgL zum Beispiel US-PS 33 45 861) benutzt, und der Meßeinheit 23 liegt eine

Schaltung zugrunde, die das Informationssignal in eine Gleichspannung mit größerer Amplitude umsetzt Zur Verringerung der Fehler, die bsi der Kontrolle

ίο der Stoffeigenschaften infolge der Instabilität der Amplitude des durch die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 entstehen, mißt man zusätzlich die Maximalamplitude U₀ (Fig.2, Diagramm »c«) der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls und vergleicht man diese Amplitude mit dem Verhältnis der durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzten Fläche zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt ^(Diagramm »acr,) zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fi g. 1) proportional ist Zu diesem Zweck ist in der Einrichtung ein Spitzendetektor 25 (F i g. 3) für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen, der ein der Maximalamplitude Ik dieser Umhüllenden 17 spannungsmäßig entsprechendes elektrisches Signal 26 formiert In der vorliegenden Ausführungsvariante der Einrichtung ist der Spitzendetektor 25 nach einer bekannten resistiv-kapazitiven Schaltung aufgebaut (vgL zum Beispiel das Buch von N. L Brashnikow »Ultraschall-Phasenmessung«, Moskau,

Verlag »Energia«, 1968, S. 17... 19, Bild 2,4).

Der Eingang dieses Spitzendetektors 25 liegt am Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16, während sein Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 über einen zur Formierung des elektrischen Referenz-Signals 28 dienenden Emitterfolger 27 mit geregeltem Ausgang elektrisch verbunden ist, wobei die Meßeinheit 23 nach einer Differentialschaltung aufgebaut ist

Die beschriebene Einrichtung ermöglicht die Beseitigung der Nulldrift beim Registriergerät 24, die durch die erwähnte Instabilität der Amplitude des in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 hervorgerufen wird.

Kleinere Änderungen der Empfindlichkeit der Messung von Stoffeigenschaften, die durch die erwähnte

Λ5 Amplitudeninstabilität des Impulses 5 bedingt sind, erreicht man in einer anderen Variante der Einrichtung,

die in der Hauptsache dem in Fig.3 gezeigten

Ausführungsbeispiel ähnlich aufgebaut ist Der Unterschied liegt nur darin, daß außer dem

erwähnten Spitzendetektor für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls mit dem am Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 für diese Umhüllende 17 liegende Eingang in der Einrichtung eine Divisionseinheit 29 (Fi g. 4) für elektrische Signale verwendet wird,

deren Einginge an die Ausgänge des Spitzendetektors

25 für die Umhüllende 17 und des Hüllkurvenintegrators für diese Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls angeschlossen sind und deren Ausgang am ersten Eingang de: Meßeinheit 23 liegt Die Einrichtung weist auch einen Referenzsignalformer 30 auf, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 verbunden ist, wobei die Meßeinheit 23 eine Differentialschaltung darstellt
In dieser Ausführungsvariante der Einrichtung ist die

Divisionseinheit 29 nach einer bekannten Synchron-Polgeschaltung aufgebaut (vgl. zum Beispiel das Buch von N. 1. Brashnikow »Ultraschallverfahren«, Verlag »Energia«, Moskau, 1965, S. 223,224, Bild 5.1 \\

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Die Formierung des die Information Ober die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes tragenden elektrischen Signals kann auch vorgenommen werden, indem man aus der Hinterflanke einer Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls Abschnitte herauslöst, deren entsprechende Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude dieser Umhüllenden 17 wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen, und indem man das Zeitintervall τ* zwischen diesen Abschnitten bestimmt

Dieses Prinzip wird in einer anderen Variante der Einrichtung realisiert, die ähnlich der Ausführung nach F i g. 1 aufgebaut ist

Der Unterschied dieser Variante der Einrichtung liegt nur darin, daß sie eine Schaltung 31 (Fig.5) zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln enthält Diese Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 formiert einen elektrischen Impuls 32 mit der Dauer τ* und der Amplitude U_x. Die Vorderflanke und die Hinterflanke dieses Impulses 32 entsprechen den zwei Abschnitten der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, deren Enden auf den erwähnten zwei Amplitudenpegeln liegen, sowie den Zeitpunkten U und t₂. In dieser Variante der Einrichtung ist die HOIIkurvenbegrenzerschaltung 31 in bekannter Weise aufgebaut (vgL zum Beispiel das Buch von L. M. Goldenberg »Theorie und Berechnung von halbleiterbestückten Impulsschaltungen«, Moskau, Verlag »Swjaz«, 1969, S. 170, 171, Bild 3.7).

Der Eingang der Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 liegt am Ausgang des Hüilkurvendemodulators 16, und ihr Ausgang ist an den Eingang des Informationssignalformers 19 angeschlossen, der das elektrische Informationssignal 20 formiert Die Hfillkurven-Begrenzerschaltung 31 besteht in dieser Variante der Erfindung aus in Reihe liegenden und weitgehend bekannten Schaltungsanordnungen, und zwar aus einer Begrenzungsschaltung 33 zum Beschneiden der Umhüllenden auf dem unteren Amplitudenpegel und aus einem Begrenzerverstärker 34, der die Umhüllende 17 auf dem oberen Amplitudenniveau begrenzt In der Funktion des erwähnten Informationssignalformers 19 wird ein Baustein zur Messung der Dauer elektrischer Impulse benutzt, der gemäß F i g. 5 aus einem Emitterfolger 22 und einem mit diesem in Reihe liegenden Integrator 21 besteht, dessen Ausgang als Ausgang des Informationssignalformers 19 für das Informationssignal 20 dient

Zur Erfassung von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Anfangswert wird das elektrische Informationssignal in der nach einer Differentialschaltung aufgebauten Meßeinheit 23 mit dem elektrischen Referenzsignal des Signalformers 30 verglichen. Die Amplitude dieses elektrischen Referenzsignals stimmt mit der Amplitude des Informationssignals 20 überein. Das letztere entspricht der Dauer r_w des Impulses 32, die sich beim Anfangswert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft einstellt

Zu dem Zweck, die Beeinflussung der Genauigkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften durch die Instabilität der Amplitude der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 klein zu halten, wird der untere Amplitudenpegel von den zwei erwähnten Begrenzungsniveaui der Umhüflenden 17 porportional den Änderungen der Maximalamplitude dieser Umhüllenden verschoben. Dies wird durch die zusätzliche Ausstattung der Einrichtung mit einem Spitzendetektor 23 (Fig.6) für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls erreicht, der zur Regelung des unteren Amplitudenpegels der erwähnten herausgelösten Abschnitte der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls bestimmt ist Der Eingang des Spitzendetektors 25 ist an den Ausgang des Hüilkurvendemodulators 16 für diese Umhüllende 17 angeschlossen, während sein Ausgang über einen Emitterfolger 27 mit dem gesteuerten Eingang der Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 elektrisch verbunden ist, die zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenniveaus dient

Die Bildung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt, kann auch dadurch erfolgen, daß man aus der Hinterflanke eiiner der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls einen Abschnitt herauslöst, dessen Enden auf zwei Arnplitudenniveaus Iiege.t, die wenigstens um eine Größenordnung kleiner als die Maximalamplitude dieser Umhüllenden sind, und einen dem herausgelösten Abschnitt entsprechenden elektrischen Impuls formiert sowie einen elektrischen Referenz-Impuls im Zeitpunkt bildet, der einer Lage des formierten elektrischen Impulses im Arbeitsbereich der Kontrolle entspricht, und das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen mißt

Dieses Prinzip wird in einer weiteren Variante der Einrichtung realisiert, die ähnlich der in Fig. 1 dargestellten AusführungsVariante aufgebaut ist

Ihr Unterschied liegt nur darin, daß der Informationssignalformer die Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 (Fig. 7) zur Begrenzung der Umhüllenden 17 auf zwei Amplitudenpegeln zwecks Herauslösung eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls enthält sowie eine mit )5 dieser Begrenzerschaltung 31 in Reihe liegende Differenzierschaltung 35 zur Formierung eines elektrischen Impulses 36 aufweist, der dem erwähnten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke der Umhüllenden 17 entspricht und vom Beginn der Einführung des akustischen Schwingunftsimpulses S in die Behälterwand 3 im zeitlichen Abstand h liegt Der Eingang der Begrenzerschaltung 31 und der Ausgang der Differenzierschaltung 35 dienen hierbei als Eingang bzw. Ausgang des Signalformers 19, der das elektrische Informationssignal 36 formiert Die Einrichtung hat in diesem Falle auch eine Zeilverzögerungseinheit 37 zur zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse um die Zeit rs, die zur Formierung eines elektrischen Referenzimpulses 38 bestimmt ist und mit dem Lingang am so Ausgang des Impulsgenerators 1, mit dem Ausgang aber am zweiten Eingang der Meßeinheit 23 liegt Als Meßeinheit 23 dient hierbei eine Schaltung zur Messung der Zeitintervalle τ_β - rs-f* die bei dieser Variante der Einrichtung auf der Basis einer Triggerschaltung aufgebaut ist (vgL zum Beispiel das Buch von N. I. Brashnikow »Ultraschallverfahren«, Moskau, Verlag »Energie«, 1965, S. 166,167, Bild 3.14). Die Zeitverzögerungseinheit 37 ist auf der Basts eines Impulsformers 39 für Impulse 40 mit vorgegelbener Dauer aufgebaut, die μ gleich der erforderlichen zeitlichen Verzögerung r₅ eingestellt wird. Die Zeitverzögerungseinheit 37 enthält auch eine zweite Differenzierschaltung 41, die mit dem Impulsformer 39 in Reihe luigt und zur Formierung des der Hinterflanke des Impulses 40 entsprechenden elektrischen Referenzimpulses 38 bestimmt ist

Die Verminderung des Einflusses der Amplitudeninstabilität der durch die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 auf die Genauigkeit

der Kontrolle von Stoffeigenschaften kann auch erreicht werden, indem man den Referenzimpuls 38 mit einer Zeitverzögerung formiert, die der Änderung der Maximalamplitude t/p der erwähnten Umhüllenden 17 proportional ist s

Zu diesem Zweck verwendet man in der Einrichtung zusätzlich den für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor 25 (F i g. 8), dessen Eingang an den Ausgang des genannten Hüllkurvendemodulators 16 geschaltet ist, sowie eine ι ο Einheit 42 zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang mit dem Ausgang des Spitzendetektors 25 über einen Emitterfolger 27 elektrisch verbunden ist und deren Ausgang am gesteuerten Eingang der Zeitverzögerungseinheit 37 für elektrische Impulse liegt Als solcher Eingang dient bei Benutzung des Impulsformers 39 für Impulse 40 in der Zeitverzögerungseinheit 37 der gesteuerte Eingang dieses Impulsformers 39.

Die Bildung des elektrischen Signals, das die Information üben die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes beinhaltet, kann auch vorgenommen werden, indem man aus der Hinterflanke einer der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls einen Abschnitt mit der Dauer T₇ herauslöst, die ungefähr der doppelten Laufzeit τ des akustischen Schwingungsimpulses 5 durch die Behälterwand 3 entspricht, wobei dieser Abschnitt von der Vorderflanke dieser Umhüllenden 17 um einen Abstand entfernt ist, der wenigstens ein um eine Größenordnung höheres Vielfaches der doppelten Durchlaufzeit r des akustischen Schwingungsimpulses 5 bei seinem Durchgang durch die Behälterwand 3 darstellt, und inde-n man die Maximalamplitude der Umhüllenden 17 in diesem Abschnitt bestimmt

Zu diesem Zweck wird eine Variante der Einrichtung vorgeschlagen, die der Einrichtung nach F i g. 1 im wesentlichen ähnlich aufgebaut ist

Ihr Unterschied liegt nur darin, daß der Informationssignalformer 19 für das Informationssignal 20 eine Reihenschaltung 43 (Fig.9) enthält, die eine zweite Zeitverzögerungseinheit 44 für elektrische Impulse, einen zweiten Selektorimpulsgenerator 45 zur Erzeugung von Selektorimpulsen 46 und einen Selektorverstärker 47 für die Amplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls umfaßt Diese Reihenschaltung 43 ist zur Herauslösung eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 in Form eines Einzelimpulses 48 bestimmt Der Signalformer 19 enthält auch einen Spitzendetektor 49 für den herausgelösten Abschnitt der Umhüllenden 17, dessen Eingang an den Ausgang des Selektorverstärkers 47 angeschlossen ist Der Eingang der zweiten Zeitverzögerungseinheit 44 liegt zum Ausgang des Impulsgenerators 1 und dient als gesteuerter Eingang des Informationssignalformers 19, dessen Signaleingang durch den Signaleingang des Selektorverstärkers 47 für die Amplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls gebildet wird. Als Ausgang des Informationssignalformers 19 dient der Ausgang des eo Spitzendetektors 49.

Die Verringerung des Einflusses der Amplitudeninstabilität der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 auf die Genauigkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften kann außerdem erreicht werden, indem man zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke einen zusätzlichen Abschnitt herauslöst, der von dem Hauptabschnitt dieser Umhüllenden 17 um eine Größe entfernt ist, die ein Vielfaches der doppelten Behälterwand-Durchlaufzeit τ des akustischen Schwingungsimpulses ist, und indem man die Maximalamplituden der Umhüllenden 17 im erwähnten Hauptabschnitt und im Zusatzabschnitt vergleicht

Die Ausführungsvariante der Einrichtung, in dor durch diese Vorgänge die Nulldrift des Registriergeräts 24 bei der Amplitudeninstabilität der in die Behälterwand 3 eingeführten Impulse 5 beseitigt wird, ist ähnlich der Variante nach F i g. 9 aufgebaut

Ihre Besonderheit Hegt aber. darin, daß sie eine Reihenschaltung50 (Fig. 10) von Baueinheiten enthält Die Reihenschaltung 50 umfaßt eine dritte Zeitverzögeiungseinheit 51 zur Verzögerung elektrischer ImpuLse, einen dritten Selektorimpulsgenerator 52 zur Erzeugung von Selektorimpulsen 53, sowie einen zweiten Selektorverstärker 54 für die Amplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, in dem die Herauslösung eines zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 erfolgt, wobei diesem Abschnitt der Impuls 55 entspricht Der zusätzliche Abschnitt liegt zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke. Zur Reihenschaltung 50 gehört auch ein zweiter Spitzendetektor 56 für den herausgelösten zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 des akustischen IrnpulsnachhaJLs. Der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit 51 ist an den Ausgang des Impulsgenerators 1 angeschlossen, der Signaleingang des zweiten Selektorverstärkers 54 liegt am Ausgang das Hüllkurvendemodulators 16 und der Ausgang des zweiten Spitzendetektors 56 ist über einen Emitterfolger 57 mit regelbarem Ausgang mit dem zweiten Eingang der Meßeinheit 23 elektrisch verbunden, die nach einer Differentialschaltung aufgebaut ist

Die Ausführungsvariante der Einrichtung, in der nicht nur die Nulldrift des Registriergeräts 24 beseitigt wird, sondern auch die durch die erwähnte Instabilität der in die Behälterwand 3 eindringenden akustischen Schwingungsimpulse 5 hervorgerufenen Änderungen der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften vermieden werden, weist zusätzlich zur Variante nach F i g. 9 eine Reihenschaltung 50 (F i g. 11) mit folgenden Baueinheiten auf: der dritten Zeitverzögerungseinheit 51 für elektrische Impulse, dem dritten Selektorimpulsgenerator 52 für Selektorimpulse 53, dem zweiten Selektorverstärker 54 für die Amplitude der Umhüllenden 17, der zur Herauslösung eines zusätzlichen Abschnitts der Hinterflanke der Umhüllenden 17 zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt dieser Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke bestimmt ist, sowie mi; dem zweiten Spitzendetektor 56 für den herausgelösten zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls. Der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit 51 ist hierbei an den Ausgang des Impulsgenerators 1 angeschlossen, während der Signaleingang des zweiten Selektorverstärkers 54 ist mit dem Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls verbunden. Diese Variante der Einrichtung enthält auch eine Divisionseinheit 58 für elektrische Signale, bei welcher die Eingänge mit den Ausgängen des ersten und des zweiten Spitzendetektors 49 bzw. 56 für die erwähnten Abschnitte der Umhüllenden 17 und der Ausgang mit dem Eingang der Meßeinheit 23 verbunden sind, sowie einen Referenzsignalformer 30, der einen elektrischen Referenzsignal liefert und mit

seinem Ausgang am zweiten Eingang der Meßeinheit 23 liegt Dabei ist die Meßeinheit 23 nach der Differentialschaltung aufgebaut, und die Verbindung des zweiten Spitzendetektors 56 mit der Divisionseinheit 58 erfolgt über den Emitterfolger 57.

Für eine Reihe der zu kontrollierenden Stoffe, deren akustische Impedanz nahe der akustischen Impedanzgröße der Behälterwand 3 oder höher als diese liegt, erfolgt die Formierung des elektrischen Signals mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes durch Ermittlung des Vorzeichens des Zeitintervalls zwischen den Vorderflanken der zwei verschiedenpoligen Umhüllenden 17,18 des akustischen Impulsnachhalls. Die zn diesem Zweck dienende Variante der Einrichtung ist im wesentlichen ähnlich der Einrichtung nach F i g. 1 aufgebaut.

Ihr Unterschied liegt nur darin, daß in der Funktion des Informationssignalformers 19 ein Normimpulsformer 59 (F i g. 12) zur Formierung von genormten elektrischen Impulsen 60 benutzt wird, die der Vorderflanke der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls entsprechen. In dieser Einrichtung ist der Normimpulsformer 59 nach der bekannten Schaltung des Formierungsverstärkers mit einem reststiv-kapazitiven Glied am Eingang ausgeführt (vgL zum Beispiel von L. M. Goldenberg »Theorie and Berechnung von halbleiterbestückten Impulsschaltungen«, Moskau, Verlag »Swjaz«, 1969, S. 181... 183, Bild 3.16). Außerdem enthält diese Einrichtung eine Reihenschaltung von Baueinheiten, die einen zweiten Hüllkurvendemodulator 61 für die zweite Umhüllende 18 des akustischen Impulsnachhalls einschließt, dessen Eingang an den Ausgang des Selektorverstärkers 15 geschaltet ist, sowie einen zweiten Normimpulsformer 62 zur Formierung eines der Vorderflanke der zweiten Umhüllenden 18 des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses 63 aufweist Dabei ist der Ausgang des zweiten Normimpulsformers 62 an den zweiten Eingang der Meßeinheit 23 angeschlossen, deren Funktion in diesem Falle eine Baueinheit zur Messung der Zeitdifferenz bei der Formierung der genormten elektrischen Impulse 60 und 63 erfüllt, die den Vorderflanken der beiden umhüllenden 17 und 18 des akustischen Impulsnachhalls entsprechen.

Alle vorstehend beschriebenen Aasfühningsvarianten der Einrichtung können mit Erfolg für die Kontrolle der Eigenschaften von Stoffen in Behältern benutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen wird mittels der beschriebenen Ausführungsvarianten der Einrichtung wie folgt realisiert

Mit Hilfe des akustischen Wandlers 2 (F i g. 1) werden akustische Schwingungsimpulse 5 erzeugt, die in den zu kontrollierenden Stoffe durch die diesen Stoffe umschließende Behälterwand 3 in der Normalenrichtung zu dieser Wand 3 periodisch eingeführt werden.

Diese Impulse 5 werden an der Grenze der Innenfläche der Wand 3 mit dem zu kontrollierenden Stoff 6 zur Außenfläche der Wand 3 hinreflektiert, an der ebenfalls ihre Reflexion erfolgt Infolge der Bildung von in der Wand 3 mehrfach reflektierten Impulsen 9 entsteht der akustische Impulsnachhall, also das akustische Summensignal 7 (F i g. 2, Diagramm »a«), das von demselben Wandler 2 (F i g. 1) empfangen wird. Der Zeitpunkt der Entstehung des Signals 7 liegt gegenüber dem Moment der Einführung der akustischen Schwineunesimoulse 5 in die Behälterwand 3 in einem zeitlichen Abstand τ (F i g. 2, Diagramm »a«Jl der durch die Beziehung

gegeben ist Hierbei bedeuten

d die Dicke der Behälterwand 3,
C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Schwingungen in der Behälterwand 3.

Neben dem erwähnten Signal 7 gelangt zum akustischen Wandler 2 aus der Behälterwand 3 auch ein akustisches Signal 8, welches durch den an der gegenüberhegenden Seite der Innenfläche der Behälterwand 3 reflektierten akustischen Schwingungsimpuls 10 bedingt ist, der den Stoff 6 zweimal durchläuft Die Vorderflanken der erwähnten Signale 7 und 8 liegen voneinander in einem zeitlichen Abstand Tr₁ (Fig.2, Diagramm »a«), dessen Dauer vom Querschnitt D des Behälters und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit Q der akustischen Schwingungen in dem zu kontrollierenden Stoff 6 abhängig ist:

2D

Der akustische Wandler 2 (F i g. 1) erzeugt akustische Schwingungsimpulse 5 unter Einwirkung der.elektrischen Schwingungsimpulse 4, die mit der Folgeperiode T (Fig.2, Diagramm »a«) vom Impulsgenerator 1 (F i g. 1) geliefert werden.

Neben der Anlegung der erwähnten Impulse 4 des Generators 1 an den akustischen Wandler 2, werden sie zusammen mit den Signalen 7 und 8 dem Signaleingang des Selektorverstärkers i5 zugeführt Auf den Steuereingang dieses Selektorverstärkers 15 werden Selektorimpulse 14 (F i g. 2, Diagramm »Zx<) mit der Dauer 73 vom Generator 13 (F i g. 1) gegeben, der diese Impulse aus den Impulsen 4 des Generators 1 mit einer Zeitverzögerung T2 (Fig.2, Diagramm »Zx<) erzeugt Die Verzögerungszeit T₂ ist länger als die Dauer des Impulses 4 (Diagramm »a«), aber kleiner als die Zeit r oder gleich dieser Zeit gewählt in der die akustischen Schwingungen zweimal die Behälterwand 3 durchlaufen. Die Dauer rj des Selektorimpulses 14 ist so eingestellt daß seine Erzeugung im Generator 13 vor dem Beginn der Einführung des akustischen Signals 8 in den akustischen Wandler 2 beendet wird. Hierbei gilt folgende Ungleichung:

T₁ < T + T, - T₂ .

Bei. olcher Betriebsarteinstellung in der Reihenschaltung 11, zu der neben dem Selektorverstärker 15 auch der Selektorimpulsfcenerator 13 und die Zeit Verzögerungseinheit 12 gehören, wird die Trennung der akustischen Signale 7 vom akustischen Signal 8 und von den Impulsen 4 des Generators 1 gewährleistet

Vom Ausgang des Selektorverstärkers 15 gelangt das herausgelöste Signal 7 zum Eingang des Hüllkurvendemodulators 16, der für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen ist Dieser Demodulator 16 trennt die Hüllkurven 17 oder 18 (Fig.2, Diagramme »cx< bzw. »dt«) des akustischen Signals 7, welche die Umhüllenden des zwischen der Außenfläche der Wand 3 (Fig. 1) und dem zu kontrollierenden Stoff 6 im Behälter entstehenden akustischen Impulsnachhalls

darstellen. In den vorgeschlagenen und in Ft g. 1,3... 11 gezeigten Ausführungsvafianten der Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Kontrolle der Eigenschaften von in Behältern eingeschlossenen Stoffen wird eine der Umhüllenden, und zwar die Umhüllende 17 (F i g. 2, Diagramm »a<) des akustischen Impulsnachhalls benutzt

Die Umhüllende 17 des in der Zone des akustischen Wandlers 2 zwischen der Außenflache der Behälterwand 3 und dem Stoff 6 im Behalter entstehenden akustischen Impulsnachhalls trägt die Information über die Eigenschaften dieses Stoffes 6.

Als Beispiel soll hier eine der Stoffeigenschaften — die Konzentration geiner binären Lösung von flüssigen Medien oder eine Lösung von Feststoff in Flüssigkeit betrachtet werden. Wie z. B. aus dem Buch von N. I. Brashnikow »Ultraschallverfahren«, Moskau, Verlag »Energia«. 1965. S. 56 ...73 bekannt ist. sind rlie Fortpflanzungsgeschwindigkeit Ci der akustischen Schwingungen in einer flüssigen Lösung und die Konzentration q dieser Lösung durch funktionale Abhängigkeit verknüpft, die in allgemeiner Form wie folgt geschrieben wird:

Gleichzeitig weisen die Konzentration q der Lösung

und ihre Dichte Qi in den meisten Fällen die direki proportionale Abhängigkeit auf:

Hierbei istpot die Dichte des Lösungsmittels.

Somit besteht zwischen der akustischen Impedanz z, der flüssigen Lösung, die gleich q\Q ist, und der Konzentration 9 dieser Lösung die Abhängigkeit:

IO Z₁ = CO

in einem für die industrielle Kontrolle von Stoffeigen

schäften ausreichend breiten Bereich der Konzentra

is tionswerte q vieler flüssigen Lösungen weist die

Abhängigkeit (6) der akustischen Impedanz z\ von der Konzentration geinen hinreichend linearen Verlauf auf:

z, = Z_n, (I + k,q).

Dabei ist Z₀, die akustische Impedanz des Lösungsmittels. Die Werte des Koeffizienten k^ der proportionaler Abhängigkeit der Impedanz z_t von der Konzentration t (in g/I) sind für mehrere wäßrige Lösungen (mit zb! = 1.48 •lO'g· cm-² see-') in der Tabelle 1 aufge führt.

Tabelle 1

Wäßrige Lösungen

Aluminiumsulfat-Lösung

Magnesiumsulfat-Lösung

0,00051

0,00061 Zinksulfat-Lösung

0,00039

Kaliumchlorid-Lösung

0,00037

Wäßrige Lösungen von

Natriumchlorid Kaliumhydroxyd Lithiumhydrooxid Natriumhydrooxid

■ Π

0,00069

0.00011 0.00025

0.00017

Wäßrige Lösungen von

Ammoniak Salpetersäure Schwefelsäure Salzsäure

· Π

0,00005

0,00007 -0,00007

0,00035

Die Abhängigkeit der Maximalamplitude t/o der Umhüllenden 17 (F i g. 2, Diagramm »cw) vom Verhältnis der akustischen Impedanzwerte z\ und ζ = ge der flüssigen Lösung bzw. der Behälterwand 3 ist durch die Beziehung

(8)

55

60

gegeben. Hierbei sind

S die Maximalamplitude des ir. die Behälterwand 3

eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5; k₃ein Koeffizient, in dem der Einfluß der zwischen der

Behälterwand 3 (Fig. 1) und dem akustischen

Wandler 2 liegenden Kontaktschicht auf den Übergang der an der Innenfläche der Behälterwand 3 reflektierten akustischen Schwingungsimpulse 9 in diesen Wandler 2 sowie die Eigenschaften des akustischen Wandlers 2 beim Empfang berücksichtigt werden;

ε ein Koeffizient (kleiner als Eins), in dem die Abschwächung des akustischen Schwingungsimpulses 5 beim zweimaligen Durchgang der Behälterwand 3 berücksichtigt wird.

Die im Diagramm »c« (Fig.2) mit Strichlinie gezeigte Maximalamplitude U_x der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls wird in jeder Periode 7"der eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 mit der

Zeit t kleiner. Diese Abnahme wird mit ausreichendem Approximationsgrad durch folgende Beziehung beschrieben:

■R—

I-τ'

(9)

Hier bedeuten:

R den Reflexionsfaktor bei der Reflexion des akustischen Schwingungsimpulses 9 an der Grenze der Innenfläche der Behälterwand 3 mit dem akustischen Wandler 2;

τ' die Dauer der Vorderflanke der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls.
Die angeführte Beziehung gilt für die Zeit t, die der

Uneleichuns

io der Basis eines Relais ausgeführt ist, wird das Ergebnis der Kontrolle als Vorhandensein oder Fehlen von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Nennwert dargestellt.

Die Formierung des elektrischen Informationssignals aus der vom Demodulator 16 gelieferten Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls (Fig.2, Diagramm »c«) kann auf verschiedenen Wegen vorgenommen werden.

Einer dieser Wege ist die Bestimmung der durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzten Fläche 5 und dann die Ermittlung des Verhältnisses dieser Fläche 5 zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T (Diagramm »a«) zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist.

Diese Fläche S wird mit praktisch ausreichender

für Hip I IrnhfiMpnrfp 17 Ap% alcijstisrhpn

τ + r < I < τ + r,

Impulsnachhalls durch den folgenden Ausdruck bell 0) 2n schrieben:

T + ι

entspricht.

Die Zeit t = τ + τ' entspricht dem Maximum U₀ der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, da aus den Beziehungen (8) und (9) folgt, daß bei solchem Zeitwert

= 0,5r'l/„+ fl/.df . (13)

Es wird nun die in die Beziehungen (8) und (9) für LO und Ui eingehende Funktion

U₁ = τ + r' = U₀

(H)

«■-(■-?) O

Da die akustische Impedanz Z\ einer flüssigen Lösung nach der Gleichung (6) eine Funktion ρ-^q) von der Konzentration q dieser Lösung ist stellt die Amplitude U, der Umhüllenden des akustischen Impulsnachhalls gemäß der erhaltenen Beziehung (10) ebenfalls eine Funktion der erwähnten Konzentration ς dar:

V, ='IiUl)- (12)

als Funktion der veränderlichen Größe

(14)

betrachtet.

Diese Größe ist ihrerseits, wie dies aus der Gleichung (6) folgt, die Funktion von der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft, gegebenenfalls von der Konzentration qder flüssigen Lösung:

40

Somit trägt die am Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 (Fig. 1) erhaltene Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls die Information über die zu kontrollierende Stoffeigenschaft, im vorliegenden Beispiel der industriellen Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und der Einrichtung zu seiner Realisierung also — die Information über die Konzentration q der zu kontrollierenden flüssigen Lösung.

Vom Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 gelangt die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls zum Eingang des Informationssignalformers 19, der das Informationssignal 20 (F i g. 2, Diagramm »e«) liefert und dessen elektrischer Parameter dem Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional ist Dieses elektrische Informationssignal 20 wird dem Eingang der Meßeinheit 23 zugeführt, in der es in das elektrische Standardsignal umgewandelt wird, das dem Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional ist Das Ausgangssignal der Meßeinheit 23 wird auf das Registriergerät 24 gegeben. Je nach den Bedingungen der Kontrolle werden ihre Ergebnisse auf zwei verschiedenen Wegen dargestellt Erstens können die Ergebnisse der Kontrolle auf einer Skala angezeigt werden, die in den Maßeinheiten der zu kontrollierenden Sioffeigenschaft geeicht ist Beispielsweise erfolgt die Anzeige bei der Kontrolle der Konzentration von flüssigen Lösungen in g/l (Gramm des gelösten Stoffes pro ein Liter Lösung). Wenn das Registriergerät 24 auf (16)

Aus den Beziehungen (14) und (15) folgt, daß

R₁ —

2 Ir₁

(17)

In diesem Ausdruck stellt die Größe Rot den Wert der Funktion Ri bei der akustischen Impedanz z\, die gleich dem Anfangswert zo\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 (F i g. 1) ist Im vorliegenden Beispiel der Kontrolle der Konzentration q einer flüssigen Lösung ist die Größe Rm gleich der Funktion R\ bei der akustischen Impedanz Z\, die gleich der akustischen Impedanz 201 des Lösungsmittels ist Hierbei ist

(18)

In den meisten praktisch vorkommenden Fällen liegt die akustische Impedanz der Behälterwand 3 mehr als eine Größenordnung höher als die akustische Impedanz

Z₀₁ <z und Iz, «z .

(19)

K₁= Kai (l -2ψ).

(20)

R₁ = R₀₁ (\

-2k_!tl

(21)

Die Maximalamplitude L/o der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls und der jeweilige Wert U, dieser Umhüllenden 17 sind also gemäß den Beziehungen (8), (9), (14) und (20) durch folgende Gleichungen gegeben

-2

(22)

(23)

ζ, des zu kontrollierenden Stoffes 6 und ihre Abwel· chungen/tzi:

Diagramm »c«) und die Amplitude £Λ dieser Umhüllenden 17 in die (gleichung (13) für die durch die Umhüllende 17 und ihren Nullpegel begrenzte Fläche S ergibt

Deswegen kann die Beziehung (17) mit genügender Genauigkeit in vereinfachter Form dargestellt werden:

For die Kontrolle der Konzentration q von flüssigen Lösungen erhält man gemäß den Gleichungen (16) und (20):

U R /* Γ / I 7 VI *~^τ>

^ / URR₀₁ (1-2-^)H-

(24)

und nach der Integration:

S = ^BrR₀₁

(25)

j nn r ι

I V

ir.xn
2 -¹Jj

(l -²'Λ)]

Das Einsetzen der Ausdrücke (22) und (23) für die Maximalamplitude U₀ der Umhüllenden 17 (Fig.2,

_ r Ii₃₁BR₀₁ τ

^A - "T₄T

Das für die Beurteilung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft dienende Verhältnis A der erwähnten Fläche 5 zum Zeitintervall At, das dem Zeitabschnitt Γ (F i g. 2, Diagramm »a«) zwischen zwei nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist, beträgt gemäß der Beziehung (25):

(26)

Hierbei sind Ii₁ ein konstanter Proportionalitätsfaktor und

= >RR_0i.

(27)

Die vorstehend beschriebenen Operationen, und zwar die Bestimmung der durch die Umhüllende 17 (Fig.2, Diagramm »«<) des akustischen Impulsnachhalls und ihren Nullpegel begrenzten Fläche S sowie die Ermittlung des Verhältnisses A dieser Fläche 5 zum Zeitintervall, das dem Zeitabschnitt T zwischen zwei

Ina +

In (1 _

Darin sind K₅, K₆ die Proportionalitätsfaktoren:

(29)

(30)

nacheinander eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 (Fig. 1) proportional ist, erfolgen im Informationssignalformer 19, der das elektrische Informationssignal 20 liefert In diesem Informationssignalformer 19 gelangt die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls vom Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 über den Emitterfolger 22 zum Eingang des Hüllkurvenintegrators 21. Im Integrator 21 wird das elektrische Informationssignal 20 mit der Amplitude Eo (Fig.2, Diagramm »e«) gebildet, die sich aus der folgenden Gleichung ergibt:

_2-i£L) xfi_2-!i>V (28)

Das elektrische Informationssignal 20 wiru vom Ausgang des Hüllkurvenintegrators 21 (Fig. 1) dem Eingang der Meßeinheit 23 zugeführt Aus dem zugeführten elektrischen Informationssignal 20 mit der Amplitude E₀, die dem Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional ist, formiert die Meßeinheit 23 je nach den Bedingungen der Kontrolle das elektrische Standardsignal in der erforderlichen Form. Dieses elektrische Standardsignal wird vom Ausgang der Meßeinheit 23 in ein Registriergerät eingegeben, welches die Ausgangsinformation über die zu kontrollierende Stoffeigenschaft in der gewünschten Form darstellt
Wenn beispielsweise die Konzentration ς einer

flüssigen Lösung kontrolliert wird, bildet man das Standardsignal aus der Differenz des jeweiligen Informatior.ssignals mit der Amplitude Eq und eines Referenzsignals mit der Amplitude E₀₀. Dieses Referenzsignal wird in der Meßeinheit 23 selbst erzeugt und größenmäßig gleich der Amplitude JEb des Informationssignals eingestellt, wenn der Behälter ein Lösungsmittel mit der akustischen Impedanz von z» enthält, d. h. wenn die Konzentration q gleich Null ist und dementsprechend keine Zunahme Az\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Mediums vorliegt:

⁽³¹⁾

In dieser Gleichung stellt kot, die Größe des Koeffizienten fe bei Anfangswertden der Amplitude des akustischen Schwingungsimpulses 5 und des Koeffizienten An dar. in dem die Änderungen der zwischen der Behälterwand 3 und dem akustischen Wandler 2 liegenden Krntaktschicht und der Wandlereigenschaften des letzteren beim Empfang berücksichtigt werden.

Im Falle einer derartigen Kontrolle der Konzentration q der flüssigen Lösung soll die Meßeinheit 23 nach einer Differentialschaltung aufgebaut sein. Die Größe des Standardsignals

H)

(32)

F-¹F '

(33)

(34)

IO

hängt dabei von der Änderung Az\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Mediums 6 und folglich von der Konzentration q der flüssigen Lösung ab:

wobei β der Empfindlichkeitsfaktor der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaft ist.

Falls die durch Änderungen der ;ni kontrollierenden Stoffeigenschaft hervorgerufenen Abweichungen Az, der akustischen Stoffimpedanz klein sind, was meist in der Praxis der Fall ist, wird der Empiindlichkeitsfaktor β der Kontrolle von Stoffeigenschaften durch die Beziehung

dE_v

(35)

bestimmt, in der

d£,

'Ct)

die erste Ableitung von der Größe des Standardsignals darstellt, welche die Funktion der veränderlichen Größe

Ai₁

nach dieser Veränderlichen ist.

Die Differentation von E₁₁ nach ~ gibt die

Möglichkeit, den folgenden Ausdruck für den Empfindlichkeitsfaktor β der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaften zu erhalten:

In

(361

Darin ist

J- ι

(37)

Die Werte des Koeffizienten k- für mehrere Größen von \ und i;-\^rk- - 1) In"¹ \ bei ;■ gleich 10 sind in der Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2

kr/ 0.1

(;-vfc₇-Din"¹ > 5

0.1051 0.1104 0.1159 0.1218
4,93 4.86 4.78 4.70

Das beschriebene Verfahren zur Kontrolle von Stoffeigenschaften kann leicht realisiert werden. Bei konstanter Amplitude B der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5, bei konstanter Kontaktschicht und konstanten piezoelektrischen Wandlereigenschaften des akustischen Wandlers 2 beim Empfangsbetrieb ermöglicht dieses Verfahren bo die Durchführung einer effektiven Kontrolle.

Bei einer Inkonstanz der erwähnten Parameter ändert sich die von ihnen abhängige Größe des Produkts aus dem Koeffizienten k und der Amplitude B der akustischen Schwingungsimpulse 5. Dies führt zur Nulidrift AEa bei der Messung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft Diese Nulidrift ergibt sich als Differenz des Wertes £bo des elektrischen Informationssignals 20 bei Az\ = 0 und der Größe des elektrischen Referenzsignals. Diese sich bei der Messung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft in Bezug auf den meßbaren Bereich der Stoffeigenschaft ergebende Nulidrift beträgt:

Hierbei sind

1*3

relative Änderungen der Amplitude B des akustischen

Schwingungsimpulses S und des Koeffizienten k, in dem die Änderungen der zwischen der Behälterwand 3 und dem akustischen Wandler 2 liegenden Kontaktschicht sowie die Änderungen der Wandlereigenschaften dieses Wandlers beim Empfang berücksichtigt werden; E_11n, die Größe des Standardsignals E₁₁, die der oberen Grenze des Meßbereichs für den zu kontrollierenden Stoff entspricht
Die erwähnten Änderungen 45 und 4Jt₃ betragen:

\k_} = k_} — Ii₀

(39)
(40)

Zur Beseitigung dieser Nulldrift ΔΕ_α die bei der Kontrolle von Stoffeigenschaften durch die Instabilität der Amplitude des in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 (Fig. 1) hervorgerufen wird, mißt man zusätzlich die Maximalamplitude i/o (Fig.2, Diagramm »«<) der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls und vergleicht sie mit dem Verhältnis A der von dieser Umhüllenden 17 und ihrem Nullpegel begrenzten Fläche S zum Zeitinterva^M, das dem Zeitabschnitt T (Diagramm »a«) zwischen zwei nacheinander in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulsen 5 proportional ist

Der zu diesem Zweck in der zweiten Ausführungsvariante der Einrichtung vorgesehene Spitzendetektor 25 (Fig.3) für die Umhüllende 17 des akustischen Impulsnachhalls formiert ein elektrisches Signal 26, das der Maximalamplitude Lk dieser Umhüllenden 17 spannungsmäßig gleich ist Dieses Signal gelangt zum Eingang des Emitterfolgers 27, an dessen Ausgang das elektrische Referenzsignal 28 mit der Amplitude

E₀₀ =

erscheint, wobei

(41)

(42)

Die Amplitude E₀₀ des Referenzsignals folgt hierbei beliebigen Änderungen Ok₃ und Δ Β des Koeffizienten Jt₃ bzw. der Amplitude B des in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5. Bei der Messung von Werten der zu kontrollierenden

E₀ _ fc,fc,
^-*⁹ -~T^

Stoffeigenschaft wird die Nulldrift infolgedessen besei tigt, da die Größen

'K Iz₁-O

s und JSm gleich sind.

Bei derartigem Ausschluß der Nulldrift ist der Empfindlichkeitsfakior der Messung von Werten der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft durch die Beziehung

St_x=I

JIc₇ (_fl*-y-

0 ♦

+ 1

(43)

gegeben.

Infolge der effektiven Beseitigung der Nulldrift im Registriergerät 24, die durch die erwähnte Instabilität des in die Wand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulses 5 bedingt ist, wird die beschriebene Einrichtung nach Fig.3 vorwiegend im industriellen Prozessen benutzt, bei denen die Registrierung von vorkommenden Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von vorgegebenem Nennwert, wie z. B. bei Systemen zur Optimierung von technologischen Prozessen gefordert wird.

Sollen bei der Kontrolle nicht nur die vorkommenden Abweichungen der betreffenden Stoffeigenschaft, sondern auch die Größen dieser Abweichungen bestimmt werden, so muß eine Korrektion von Empfindlichkeitsänderungen des Kontrollvorganges vorgenommen werden.

Eine derartige Korrektion der durch die erwähnte Aoiplitudeninstabilität des Impulses 5 hervorgerufenen Empfindlichkeitsänderungen der Messung von Werten der betreffenden Stoffeigenschaft ist in einer anderen Variante der Einrichtung vorgesehen, die in Fig.4 gezeigt ist In dieser Ausführungsvariante gelangt das Ausgangssignal 26 des Spitzendetektors 25 zum Eingang der Divisionseinheit 29. Die Amplitude dieses Signals 26 entspricht der Amplitude U₀ (Fig.2, Diagramm »cw) der Umhallenden 17 des akustischen Impulsnschhalls. Auf den anderen Eingang der Divisionseinheit 29 (Fig.4) wird das Infotmationssignal 20 mit der Amplitude Eq vom Ausgang des Informationssignalformers 19 gegeben. Das Ausgangssignal jf der

^⁰ Divisionseinheit 29 läßt sich in seiner Größe wie folgt darstellen:

*'(i-2-^r-i

jay.

τ
Tr

(44)

Hierbei ist k₉ ein konstanter Koeffizient, der sich aus den Ausgangswerten der Divisionseinheit 29 ergibt

Vom Ausgang der Divisionseinheit 29 wird das Signal E₀' der nach einer Differentialschaltung aufgebauten Meßeinheit 23 zugeführt, in der es mit dem vom Signalformer 30 gelieferten Referenzsignal Bi₁₀ vergll· chen wird. Dieses Referenzsignal wird vorher amplitudenmaßig gleich dem Ausgangssignal der Divisionseinheit 29 beim Anfangswert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft eingestellt Die GrOBe des Referenzsignal« wird durch den Ausdruck beschrieben:

(45) Das Ausgangssigna! der Meßeinheit 23 mit der Amplitude

E. = E₀₀ - Ei

ω iss der Änderung der akustischen Impedanz des zu untersuchenden Stoffes 6 und dementsprechend der Kenngröße seiner zu kontrollierenden Eigenschaft, z. B. der Konzentration qder flüssigen Lösung proportional:

_Lfl

(46)

Der Empfindlichkeitsfaktor ßi der Kontrolle der zu

untersuchenden Stoffeigenschaft ergibt sich hierbei aus dem Ausdruck:

άΕ_υ

(47)

und seine Größe beträgt bei kleinen Werten von Az\: "-* ¹^"¹ (48)

Die Formierung des elektrischen Signals 20, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes 6 enthält, kann auch vorgenommen werden, indem man aus der Vorder- und Hinterflanke einer der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls Abschnitte herauslöst, deren entsprechende Enden auf zwei Arupütudenniveaus Hegen, die wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Maximalamplitude U₀ dieser Umhallenden sind, und indem man das Zeitintervall τ», zwischen diesen Abschnitten bestimmt

Zur Erläuterung des in den beschriebenen Varianten der Einrichtung realisierten Verfahrens zur Kontrolle von Stoffeigenschaften sind in Fig. 13, 14, 15 und 16 Zeitdiagramme dargestellt

In F i g. 13 sind in den Zeitdiagrammen a,b,c,d,e, /auf der Ordinatenachse die Amplituden folgender Signale abgetragen: des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des Generators t, der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplitudenpegeln E\ und E₂ der Begrenzung, des beiderseitig begrenzten Impulses 32, des Signals 26 am Ausgang des Spitzendetektors 25 für die Umhüllende 17, des lnfonnationssignals 20 und des registrierten Signals.

In F ί g. 14 sind in den Zeitdiagrammen a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k die Amplituden folgender Signale dargestellt: des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des Generators 1, der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit zwei Amplituden-Begrenzungsniveaus E% und Ei, des beiderseitig begrenzten Impulses 32, der Spannungs-Nadelimpulse, die in der Differenzierschaltung 35 formiert werden, des Impulses 36 am Ausgang der Differenzierschaltung 35, des Signals 26 am Ausgang des Spitzendetektors 25, des Impulses 40 mit vorgegebener Dauer, der Spannungs-Nadelimpulse, die in der Differenzierschaltung 41 formiert werden, des elektrischen Referenzimpulser38, des Informationsimpulses und des elektrischen lnfonnationssignals 20.

In F i g. 15 sind in den Zeitdiagrammen a,b,c,d,e,f, g, h, i in entsprechender Folge die Amplituden folgender Signale gezeigt: des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des Generators 1, der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, des ersten Selektorimpulses 46, des Impulses 48, der dem ersten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke der erwähnten Umhüllenden 17 entspricht, des Informationssignals 20 am Ausgang des Spitzendetektors 49, des elektrischen Referenzsignals mit deT Amplitude &, die der Maximalamplitude der

Umhüllenden 17 proportional ist, des zweiten Selektorimpulses 53, des Impulses 55, der dem zweiten herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke der Umhüllenden 17 entsprichtder Gleichspannungsamplitude £s am Ausgang des für den zweiten herausgelösten Abschnitt vorgesehenen Spitzendetektors 56.

In F i g. 16 sind in den Zeitdiagrammen a, b, c, d, e, f, g in entsprechender Folge die Amplituden folgender Signale dargestellt: des elektrischen Schwingungsimpulses 4 des Generators 1, der ersten Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls, der der Umhüllenden 17 entsprechenden elektrischen Normimpulses 60, der zweiten Umhüllenden 18 des akustischen Impulsnachhalls, des der Umhüllenden 18 entsprechenden elektrisehen Normimpulses 63, der Rechteckimpulse, deren

Dauer durch die sich sich bei der Formierung der

genormten Impulse 60, 63 bzw. 60', 63' ergebende

Zeitdifferenz bestimmt wird. Die zur Begrenzung der Umhüllenden 17 des

akustischen Impulsnachhalis vorgesehene Hüükurven-Begrenzerschaltung 31 (Fig.5) formiert aus dieser Umhüllenden 17 einen elektrischen Impuls 32 mit der Dauer τι (F i g. 13, Diagramm »a<) und mit der Amplitude U\. Die Vorderflanke und die Hinterflanke des gebildeten Impulses 32 entsprechen den zwei

Abschnitten der Umhüllenden 17, deren Enden auf zwei Amplitudenniveaus E, und E₂ (Fig. 13, Diagramm »/x<)

liegen.

Hierbei erfolgt die Formierung der Vorderflanke

dieses Impulses im Zeitpunkt t\, vom Beginn der Einführung der akustischen Schwingungsimpulse 5 (F i g. 5) in die Behälterwand 3 gerechnet Der Zeitpunkt ίί ergibt sich aus der Beziehung:

f| = T + Τ'

(49)

Die Formierung der Hinterflanke des erwähnten 4(i Impulses erfolgt in ähnlich gezähltem Zeitpunkt t₂:

t₂ = r' + τ

41)

45

Hierbei ist

(50)

(51)

— die Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls beim Anfangswert Z₀, der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Mediums - 6 im Behälter, d.h. bei

Zi — 0.

Die Dauer w h - t\ des erzeugten elektrischen Impulses 32 hängt von den Änderungen άζ\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 und dementsprechend von den Änderungen der Eigenschaften dieses Stoffes ab:

60

-- I

4-f'

(52)

Die Änderung Δτ+ der Dauer dieses Impulses, die durch Abweichungen Az\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 hervorgerufen wird und wie folgt beschrieben wird

It₄ = - ^fl* '*

Dabei ist

δ T₄

(53)

beträgt

die partielle Ableitung von T₄ nach

Az.

und /Ii der

a T₄

(54) to Empfindlichkeitsfaktor der Kontrolle von Stofieigenschaften, der sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt:

K- ® E₁ τ'

Der anfängliche Empfindlichkeitsfaktor ß_m der Kontrolle, d.h. der Wert des Faktors Ji₃ bei geringen Abweichungen φι akustischen Impedanz z_x von ihrem Anfangswert, kann wie folgt ausgedrückt werden:

Au = 2

In².-»

-2-

(56)

Der Empfindlichkeitsfaktor ß₃ der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaft, ebenso wie sein Anfangs-

lh =

1829,7 wert /?<b, sind negative Größen, da die Dauer τ* des elektrischen Impulses 32, der in der zur Begrenzung der Umhallenden 17 vorgesehenen Begrenzerschaltung 31 (F ig. 5) geformt wird, mit Erhöhung der akustischen Impedanz z\ abnimmt
Bei den typischen Größen der Parameter

=0,95; ^- =

— = 0,3

betragen die genauen Werte der Empfindlichkeitsfaktoren /J₀₃ = — 1829,8

0,06

fl_ 2 ^) [1-19,502 In (1-2 ^

Der sich aus den Beziehungen (7) und (54) ergebende nachstehende Ausdruck bestimmt den relativen Empfindlichkeitsfaktor /fj, der Kontrolle der Konzentration von flüssigen Lösungen, welcher der Zunahme Δτ* entspricht, die auf eine Einheit der Lösungskonzentration q und auf die Zeit τ bezogen wird, in der die akustischen Schwingungen die Wand 3 des Behälters mit der zu kontrollierenden Lösung doppelt durchlaufen:

rq

Die Werte des Faktors j3j, und der Änderung Δτ* der Dauer des Impulses 32 am Ausgang der zur Begrenzung der Umhallenden 17 des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Begrenzerschaltung 31 bei einer Ände-

Tabelle 3

rung der Konzentration q einiger schwacher wäßriger Lösungen um 1 g/l in einem Stahlbehälter mit einer Wanddicke von d - 12 mm sind für die typischen Parameterwerte nach (57) in der Tabelle 3 aufgeführt

	Wäurigc Lösungen Aluminium- Lilhium- sulfatlösung hydrooxidlösung	0,0148	Ammoniak lösung	Salzsäurc- lösung
	0,0302	0,0607	0,00296	0,0207
It4	Γ1·/] 0.Ι24	0,0121	0,0849
4

Vom Ausgang der Begrenzerschaltung 31 gelangt der Impuls 32 mit der Dauer U und der Amplitude U₁ zum Informationssignalumformer 19, der eine Schaltung zur messung der Dauer elektrischer Impulse darstellt In der Ausführungsvariante der Einrichtung nach F i g. 5 liegt dieser Schaltung zur Impulsdauermessung ein Integrator 21 zugrunde. Dem Eingang dieses Integrators 21 wird der Impuls 32 mit der Folgeperiode T(Fig. 13, Diagramm »β«) über einen Emitterfolger 22 (Fig.5) vom Ausgang der für die Umhüllende 17 des akustischen

Impulsnachhalls vorgesehenen Hüllkurven-Begrenzerschaltung 31 zugeführt Im Integrator 21 werden die elektrischen Impulse 32 in elektrische Gleichspannung mit der Amplitude £3 (Fig. 13, Diagramm »«<) umgewandelt, die der Dauer r< und der konstanten Amplitude U\ proportional ist:

(60)

wobei k\a ein Proportionalitätsfaktor ist

Das Informationssignal 20 (F i g. 5), dessen Amplitude £3 dem Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft proportional ist, gelangt zur Meßeinheit 23. In der Meßeinheit 23 wird das Ir.formationssignal 20 amplitudenmäßig mit dem Ausgangssignal des Referenzsignalformers 30 verglichen, wobei die Amplitude £03 (F i g. 13, Diagramm »f«) des in diesem Signalformer 30 erzeugten elektrischen Referenzsignals wie folgt eingestellt wird:

chung der betreffenden Eigenschaft des im Behälter befindlichen Stoffes 6 oder die Größe dieser Abweichung vom Anfangswert in gewünschter Form registriert

Die beschriebene Ausführungsvariante der Einrichtung wird bevorzugt zur Kontrolle des Zustands und der Eigenschaft von Stoffen in Systemen zur Optimierung von technologischen Prozessen sowie zur Kontrolle der Trenngrenze von Medien (Gas — Flüssigkeit oder Flüssigkeit — Flüssigkeit) angewandt

Eine Änderung des Anfangswertes Um der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 bei gewissen Verhältniswerten der Parameter des zu kontrollierenden Stoffes 6 und des in die Behälterwand 3 eindringenden akustisehen Schwingungsimpulses 5 kann zur Änderung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften, z. B. der Konzentration q flüssiger 'lösungen führen.

Das Verhältnis Θ, der Größe

der durch eine

ψ— ⁷OA- ι

wobei gemäß der Gleichung (52)

(61)

T₀₄ = T

In«

- 1

Abweichung vom Anfangswert i/00 o<er Maximalamplitude der Umhüllenden 17 hervorgeruftnen relativen

Änderung von ß₃ zur Größe der relativen

Änderung des Maximalamplitudenwertes Uoo dieser Umhüllenden 17 kann durch folgenden Ausdruck dargestellt werden

E₁

-TT-) (62)

Das Differenzsignal E_u = £03 — £3 wird dem Registriergerät 24 zugeführt, das die vorhandene Abweia if

in dem -~γτ- die partielle Ableitung vom Empfindlich-

keiufaktor ß₃ der Kontrolle von Stoffeigenschaften nach dem Anfangswert t/«> der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls ist
Die partielle Ableitung von ßi nach LOo beträgt:

(ö4)

Bei Berücksichtigung dieser Größe nimmt der Ausdruck (62) für das Verhältnis θ₍ der realtiven Änderungen des Empfindlichkeitsfaktors ßi der Kontrolle von Stoffeigenschaften und d:r Größe Uoo die Form an:

(05)

der Kontrolle von Stoffeigenschaften und der Größe U₀O vereinfacht werden

(■>i = - In

(68)

Hierbei ist

O, = —

(66)

Da bei den typischen Werten von de,—und M/00, z. B. nach (57), ^T

a, <: 1 und U₁ -c

(67)

ist, kann der Ausdruck (^e<5) für das Verhältnis θι von relativen Änderungen des Empfindlichkeitsfaktors ßj Aus diesem Ausdruck (68) folgt, daß falls das untere Amplitudenniveau £Ί für die Begrenzung der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls kleiner als

~ (mit e als Basis des natürlichen Logarithmus)

gewählt wird, die relative Änderung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Sioffeigenschaften nicht höfter als die relative Änderung des Anfangswertes LOo der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 liegen wird. Für die im Ausdruck (57) angegebenen typischen Werte der Parameter α und E/Uoo ergibt sich beispielsweise bei fünfprozentiger Änderung der Größe Um eine Ände* rung der Empfindlichkeit der Kontrolle von Stotfeigenschaftenum23%.

Zur Beseitigung von Fehlern, die durch die erwähnte Änderung der Emi Kindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften infolge der Inkonstanz der Größe Um hervorgerufen werden, wird der untere Pegel der zwei Begrenzungsniveaus der Umhüllenden 17 in seiner

Amplitude E, den Änderungen der Maximalamplitude U₀ der Umhüllenden 17 proportional veränderlich eingestellt Die Einrichtung zur Kontrolle von Stoffeigenschaften erhalt dazu den Spitzendetektor 25 (F i g. 6) für die Umhüllende des akustischen Impulsnachhalls, der zur Regelung des unteren Amplitudenpegels der erwähnten herausgelösten Abschnitte der Umhüllenden 17 dient Am Ausgang des Spitzendetektors 25 entsteht ein Gleichstromsignal 26 (Fig. 13, Diagramm »<*<) mit der Amplitude

Dieses Signal 26 gelangt zum Emitterfolger 27 (F i g. 6), an dessen Ausgang man ein Steuersignal mit der Amplitude

Ί — "J »-'no I I —

no ι ι — i j t»7|

erhält, wobei ai ein Proportionalitätsfaktor ist.

Weiterhin gelangt das Steuersignal E\ zur Begrenzungsschaltung 33, die zum Beschneiden der Umhüllenden 17 auf dem unteren Amplitudenniveau dient, und wird in dieser Schaltung 33 zu diesem Beschneiden der Umhallenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf dem unteren Pegel benutzt. Die Dauer r< (Fig. 13, Diagramm »a<) des von der Begrenzungsschaltung 33 (Fig.6) geformten Impulses 32 ergibt sich dabei aus dem Ausdruck:

r In«,

Bei der beschriebenen Variante des Verfahrens und der entsprechenden Ausführung der Einrichutng zur Kontrolle der Eigenschaften eines im Behälter befindlichen Stoffes 6 weist die Größe des Empfindlichkeitsfaktors (J₄ dieser Kontrolle keine Abhängigkeit vom Anfangswert U» der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls auf:

1 δτ. Dna-,

IO

+ r'(l -U₂). (70)

Die Größe des in der Meßeinheit 23 erzeugten r, Differenzsignals E₁₁ = E₀, - E, beträgt gemäß den Beziehungen (60) und (61):

E_t=^kt'fhr_M-_u) (71)

oder mit Berücksichtigung der sich nach aus dem Ausdruck (70) ergebenden Gleichung

55

65

Die Formierung eines elektrischen Signals mit dei Information Ober die Eigenschaften des zu kontrollie renden Stoffes kann auch durchgeführt werden, inderr man aus der Hinterflanke einer der Umhüllenden (17 des akustischen Impulsnachhalls einen Abschnitt her auslöst dessen Enden auf zwei Amplitudenniveaus E und Ei (Fig. 14, Diagramm »£*<) liegen, die wenigsten: eine Größenordnung kleiner als die Maximalamplitude Ua dieser Umhüllenden 17 sind, indem man einen derr herausgelösten Abschnitt entsprechenden elektrischer Impuls 36 (Diagramm »«<) formiert einen elektrischer Referenzimpuls 38 (Diagramm »«<) im Zeitpunkt bildet der einer Lage des geformten elektrischen Impulses 3f im Arbeitsbereich der Kontrolle entspricht und inderr man das Zeitintervall zwischen diesen Impulsen mißt.

Hierbei wird mit Hilfe der zur Begrenzung dei Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls aul

ZWci ATnpiitüucüpcgcin i/cäiimfnicfi ucgrcnZcräCnäi-

tung 31 ein elektrischer Impuls 32 formiert. Die Hinterflanke des Impulses 32 (Fig. 14, Diagramm »c*< entspricht dem auf der Hinterflanke der erwähnter Umhüllenden 17 liegenden Abschnitt dessen Enden aul zwei Amplitudenniveaus E\ und Ei (Diagramm »£x<' liegen. Die Formierung dieser Hinterflanke erfolgt in· Zeitpunkt ti, der sich aus der Beziehung (50) ergibt. Dei geformte Impuls 32 gelangt zur Differenzierschaltung 35 (F i g. ι) und wird nach der Differenzierung in zwei Spannungs-Nadelimpulse (Diagramm »rf«) umgewandelt die der Vorderflanke und der Hinterflanke dieses Impulses entsprechen. Aus dem hinteren Nadelimpuls wird am Ausgang der Differenzierschaltung 35 ein Impuls 36 (Fig. 14, Diagramm »«<) erzeugt der im zeitlichen Abstand ti vom Beginn der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 (Fig. 7) in die Behälterwand 3 liegt Weiterhin gelangt der Impuls 36 zum Eingang der Meßeinheit 23. Dabei wird dem anderen Eingang der Meßeinheit 23 ein elektrischer Referenzimpuls 38 (Fig. 14, Diagramm »«<) zugeführt der mit einer zeitlichen Verzögerung von rs am Ausgang der zur Verzögerung der elektrischen Impulse des Generators 1 vorgesehenen Zeitverzögerungseinheit 37 (F i g. 7) erzeugt wird. Auf den Eingang des zur Zeitverzögerungseinheit 37 gehörenden Impulsformers 39 für Impulse mit vorgegebener Dauer werden hierbei elektrische Impulse 4 des Generators 1 gegeben. Der Impulsformer 39 erzeugt Impulse 40 (Fig. 14, Diagramm »£«), deren Dauer Ts gleich einem Wert toi der Zeit ti eingestellt wird, in der die" Formierung des elektrischen Impulses 36 (Diagramm »e«) im Arbeitsbereich der Kontrolle der betreffenden Eigenschaft de., im Behälter befindlichen Stoffes 6 erfolgt Als solcher Zeitwert kann die Zeit k beim Anfangswert zoi der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes dienen, also

^T5 - ^f02 =

H- Ä)

In

(74)

(73)

Vom Ausgang des Impulsformers 39 (Fig.7) gelangen die Impulse 40 zu einer Differenzierschaltung 41. Nach der Differenzierung jedes Impulses 40 entstehen Spannungs-Nadelimpulse (Fig. 14, Diagramm »/»), die der Vorderflanke und der Hinterflanke des Impulses 40 entsprechen. Aus dem hinteren Nadelimpuls wird in der Differenzierschaltung 41 (F i g. 7) der Referenzimpuls 38 (F i g. 14, Diagramm r>ki) geformt, der in Bezug auf den Zeitpunkt der Einführung

des akustischen Schwingungsimpulses 5 (F i g. 7) in die Behälterwand 3 um die Zeit τ> verzögert ist

Unter Einwirkung des elektrischen Impulses 36 und des elektrischen Referenzimpulses 38, die den Eingängen der Meßeinheit 23 zugeführt werden, formiert die Meßeinheit 23 einen elektrischen Rechteckimpuls (F i g. 14. Diagramm »j«) mit der Amplitude Ut und mit der Duiifir T₆, die dem Zeitintervall zwischen dem elektrischen Impuls 36 und dem elektrischen Referenzimpuls 38 entspricht:

= Im - t, =

r In

In

In Γλ f\ -

2 i*

(75)

I Pj

2In-

''(tO O-

(76)

Nach dem Betrag unterscheidet sich der Faktor ß$ vom Empfindlichkeitsfaktor ß_A der Kontrolle von Stoffeigenschaften nur unbedeutend. Allgemeine Werte des letzteren für typische Größen der Parameter λ und E\IUm sind im Ausdruck (57) angegeben, und seine Werte bei der Kontrolle der Konzentration einiger Lösungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt

Im Falle der Anwendung eines Digitalgeräts in der Funktion des Registriergeräts 24 wird der erwähnte Rechteckimpuls (Fig. 14, Diagramm »jw) unmittelbar als elektrisches Standardsignal verwendet Dabei liefert das Registriergerät 24 (F i g. 7) an seiner Anzeigetafel und auf einer Lochkarte die digitale Information über die Dauer Te des angekommenen Impulses und folglich über den Wert der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft z. B. der Konzentration q.

Wird ein Registriergerät 24 mit analoger Informationsausgabe verwendet, so werden die elektrischen Rechteckimpulse in der Meßeinheit 23 in das Gleichstrom-Standardsignal umgewandelt, dessen Spannung Ei der Dauer Te der Rechteckimpulse proportional ist Bei der Umwandlung mittels der Integration beträgt die Spannung E₃ (F i g. 14, Diagramm »«<):

'-•i ~ ^Kii *<2 ~ψ ■ [II)

Die beschriebene und in Fig. 7 dargestellte Ausführungsvariante der Einrichtung wird vorzugsweise zur Feststellung von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Anfangswert und zur Bestimmung der Richtung (des Vorzeichens) dieser Abweichungen sowie zur diskreten Niveauangabe bei flüssigen Medien angewandt

Aus der Gleichung (75) folgt, daß die Dauer τ* des geformten Rechteckimpulses eine proportionale Abhängigkeit von den Änderungen ΔΖ\ der akustischen Impedanz des zu untersuchenden Stoffes 6 und dementsprechend von dem Wert der zu kontrollierenden Eigenschaft dieses Stoffes aufweist. Dabei ergibt sich der Fmpfindlichkeitsiaktor ß% der Kontrolle von Stoffeigenschaften aus der Gleichung

Diese Variante der Einrichtung kann außerdem zur wertmäßigen Beurteilung der Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft von ihrem Anfangswert bei geringen zeitlichen Änderungen des Anfangswertes Lko der Maximalamplitude bei der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls benutzt werden. Bei größeren Änderungen der Größe Um in der Zeit und bei einigen Zusammenhängen der Parameter dieser Einrichtung kann sich bei der Messung der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft eine Nulldrift ergeben. Diese Nulldrift kann bei einer Inkonstanz der Größe (02 entstehen, die durch Änderungen der Amplitude B der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse und durch entsprechende Änderungen der Größe t/00 hervorgerufen werden kann.

Das Verhältnis Θ2 der sich bei der Messung

ergebenden Nulldrift zum Bereich —- der kontrollierbaren Änderungen der akustischen Impedanz bei dem zu untersuchenden Stoff pro Einheit der relativen Änderung des Anfangswerte« i/00 der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls wird durch den Ausdruck

u '⁷

(78)

beschrieben, in dem ß_Os der Anfangswert des Empfindlichkeitsfaktors /?5 der Kontrolle von Stoffeigenschaften ist:

""-"""IiFT

Da gemäß der Gleichung Γ74)

Ct_n

(79)

(80)

U₀₀In*

ist, so führt das Einsetzen des Wertes von ßos aus der ^4d Gleichung (79) und des erhaltenen Wertes von gW|- in die Beziehung (78) zum Ergebnis:

In

(81)

Aus der erhaltenen Beziehung folgt, daß die Nulldrift

bis zu einer vernachlässigbar kleinen Größe reduziert werden kann, wenn der Parameter <x genügend nahe der

Eins gewählt wird. So ist die Größe Θ2 bei« = 038 und E\IUaa = 0,1 gleich 0,00428. Hierbei führt eine relative Änderung der Größe Um um 5% zu einer Nulldrift die

eo einer Änderung des Verhältnisses der akustischen

Impedanz zi des zu kontrollierenden Stoffes zur

akustischen Impedanz der Behälterwand 3 um eine kleine Größe von 2,14 · ΙΟ-⁴ entspricht Zum Beispiel im Falle der Kontrolle der Konzentration q einer wäßrigen Aluininiumsulfatlösung liegt die Größe

2QJr der Nulldrift Aq₀ bei einer Änderung von Um um

5% unter 0,5 g/L

Die praktisch vollständige Beseitigung der Nulldrift bei der Messung von Stoffeigenschaften wird erreicht, indem man die Formierung des elektrischen Referenzimpulses 38 (Fig. 14, Diagramm »«<) mit einer Zeitverzögerung von r₅ durchführt, die der Änderung der Maximalampiitude t/₀ der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls proportional ist

Zu diesem Zweck wird im Spitzendetektor 25 (F i g. 8) aus der vom Ausgang des Hüllkurvendemodulators 16 gelieferten Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls das elektrische Gleichstromsignal 26 (F i g. 14, Diagramm »Λ<) geformt. Dieses elektrische Signal 26 mit der Amplitude

= IZ₀₀Ci-Z ';>)

gelangt über den Emitterfolger 27 (F i g. 8) zum Eingang der Einheit 42, die zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung T₅ der elektrischen Impulse dient. Das Ausgangssignal der Einheit 42 wird dem gesteuerten Eingang des Impulsformers 39 zugeführt. Der letztere liefert die Impulse 40, deren Dauer r₅ wie folgt mit dem elektrischen Signal 26 verknüpft ist:

^r5 = ^r05 + ".1 U_n ■

(82)

Hierbei sind

Tos die der zeitlichen Verzögerung und
aj der Proportionalitätsfaktor der Zeitverzögerungsregelung.

Der in der Differenzierschaltung 41 aus dem Impuls 40 geformte elektrische Referenzililpuis 38 isi in bezug auf den Zeitpunkt der Einführung des akustischen Schwingungsimpulses 5 in die Behälterwand 3 um die Zeit verzögert, die der Dauer τ₅ des Impulses 40 (F i g. 14, Diagramm »£«) entspricht.

Unter Einwirkung der auf die Eingänge der Meßeinheit 23 (F i g. 8) gegebenen elektrischen Impulse 36 (Fig. 14, Diagramm »e«) und der elektrischen Referenzimpulse 38 (Diagramm »«<) entsteht in der

1 -

^υοο

U_n,

Meßeinheit 23 (Fig.8) ein Rechteckimpuls mit der Dauer:

^T6 = ^T5 - ^f2 = ^r05 + «3 Vo -

^Μλ K

. (83)

Diese Dauer weist wie bei der vorher beschriebenen ίο Variante der Einrichtung eine proportionale Abhängigkeit von den Änderungen der akustischen Impedanz Δζ\ des zu untersuchenden Stoffes 6 und dementsprechend von den Änderungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft, z. B. der Konzentration q der flüssigen Lösung auf.

Die Werte der Gleichkomponente Tos der zeitliche:! Verzögerung und des Koeffizienten a$ der proportionalen Zeitverzögerungsregelung lassen sich durch Lösung des folgenden Gleichungssysteme ermittein:

r_h,_Zl.₀

Ei

( ν)

(84)

Γιττ = ⁰- (85)

Da die Größe Um in gewissen Grenzen (gewöhnlich nur um einige Prozent) veränderlich vorausgesetzt wird, jo benutzt man anstelle von Um den Wert Uma, der dem Anfangswert von Um entspricht. Hierbei sind

(86)
(87)

^T05 =

In χ

IZ₀₀₀ In ^ '

^{l + ln}Oiw)]·

Unter Berücksichtigung der erhaltenen Werte von a₃,

res und des Wertes U₀ von der Gleichung (22) ergibt sich die Dauer Ts des in der Meßeinheit 2i (Fig.8) geformten Rechteckimpulses (Fig. 14, Diagramm »y«) gemäß der Gleichung (83) zu

LL

U₀₀

(88)

Dabei ist der Empfindlichkeitsfaktor /3, der Kontrolle von Stoffeigenschaften durch den Ausdruck gegeben:

U₀₀

U₀₀₀ In*

(89)

Der sich bei Az\ = 0 und LOo = Wxx> ergebende Anfangswert des Empfindlichkeitsfaktors |3o6 beträgt:

In

In*

In

U₀₀

(90)

Aus diesen Beziehungen folgt, daß die Empfindlichkeit der Kontrolle von Stoffeigenschaften in diesem Falle sich ebenfalls nur unwesentlich von der Empfindlichkeit der Kontrolle bei der vorher beschriebenen Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig.5 unterscheidet So ander ^ sich die Größe des Empfinditehkeitsfaktors ßm der Kontrolle mittels der zuletzt beschriebenen Variante der Einrichtung bei den Parametern « = 0,95 und E₁ZU₀O = 0,1 von 18293 bis 1791,2,A h. nur um 2,1%.

Bei praktisch gleichbleibender Empfindlichkeit der Kontrolle wird hier eine bedeutende, mehr als um eine Größenordnung stärkerer Abschwächung der Nulldrift erreicht. Das Verhältnis θ₃ der Nulldrift zum Bereich

-y¹ der kontrollierbaren Änderungen der akustischen

Impedanz des betreffenden Stoffes 6 pro eine Einheit der relativen Änderung des Anfangswertes i/oo der Hüllkurvenamplitude des akustischen Impulsnachhalls (der Umhüllenden 17) beträgt: to

'¹V

(91)

lZ₁-O

Die partielle Ableitung nach dem Parameter Um von ι > der Dauer te des in der Meßeinheit 23 geformten Impulses wird bei einem der Null zustrebenden Wert von Δζ, gemäß der Gleichung (88) wie folgt definiert:

U₀₀ In χ U_00n In ■

(92)

20

Auf Grund der erhaltenen Beziehung (92) und des Wertes des Koeffizienten ßot, nach der Gleichung (90) kann deswegen die Größe des Verhältnisses θ₃ n folgenderweise dargestellt werden:

(93)

(Fig. 15, Diagramm »«<) gesteuerten Selektorverstärkers 47 ein Abschnitt in Form eines einzelnen Impulses 48 (Diagramm »cft<) herausgelöst

Der Selektorimpuls 46 wird vom zweiten Generator 45 (Fig.9) erzeugt der durch den Impuls 4 (Fig. 15, Diagramm »a«) des Generators 1 (Fig.9) mit einer zeitlichen Verzögerung Tg (Fig. 15, Diagramm »cw) angestoßen wird, die in der zweiten Zeitverzögerungseinheit 44 (Fig.9) festgelegt wird. Der Wert T₈ der Zeitverzögerung wird als Vielfaches der Zeit τ eingestellt, in der der akustische Schwingungsimpuls 5 die Behälterwand 3 zweimal durchläuft:

= h.

(94)

Hierbei ist b\ ein Multiplizitätsfaktor, der einer vorgegebenen ganzen Zahl entspricht.

Die Dauer Tj des Selektorimpulses 46 (Fig. 15, Diagramm »«<) wird dabei annähernd gleich der erwähnten Zeit τ eingestellt, in der der akustische Schwingungsimpuls 5 die Behälterwand 3 zweimal durchläuft.

Beim Impuls 48 (Diagramm »ck<\ der dem herausgelösten Abschnitt der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls entspricht, ist die Dauer gleich der Dauer τη des Selektorimpulses 46 (Diagramm »«<) und die Amplitude Ua der Amplitude Uj des herausgelösten Abschnitts der erwähnten Umhüllenden 17 proportional.

Hierbei ist

Der Vergleich der Beziehungen (81) und (93) für die Größen Θ2 und Θ3 ergibt, daß die Nulldrift beim Einsatz der Zeitverzögerungsregelung in der Ausführungsvariante der Einrichtung nach F i g. 8 und bei sonst gleichen Bedingungen um

kleiner wird. Bei einer fünfprozentigen Änderung von i/00 wird die Nulldrift beispielsweise etwa 20mal kleiner und stellt eine geringe Größe dar, die keinen Einfluß auf auf die Genauigkeit der Messung ausübt 4

Die Formierung des elektrischen Signals, das die Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes trägt kann auch dadurch erfolgen, daß aus der Hinterflanke einer der Umhüllenden (17) des akustischen Impulsnachhalls ein Abschnitt mit der Dauer Γ7 (Fig. 15, Diagramm »ft«) herausgelöst wird, die ungefähr der doppelten Laufzeit τ des akustischen Schwingungsimpulses 5 (Fig.8) beim Durchlauf der Behälterwand 3 entspricht wobei dieser Abschnitt von der Vorderfront dieser Umhüllenden 17 in einem zeitlichen Abstand liegt der wenigstens eine Größenordnung langer als die Zeit τ des doppelten Durchlaufs der Behälterwand 3 durch den akustischen Schwingungsimpuls S ist und daß die Maximalamplitude Uj der Umhüllenden 17 in diesem Abschnitt ermittelt wird.

Diese Art der Formierung des elektrischen Signals mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes wird in der Variante der Einrichtung realisiert deren Blockschaltbild in Fig.9 gezeigt ist

In dieser Ausführungsvariante wird aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls mit Hilfe des durch einen Selektorimpuls 46 U₄ = Jt₁, Uy .

(95)

wobei K\2 einen Multiplizitätsfaktor bedeutet.

Die Maximalamplitude Ua des Impulses 48, der dem herausgelösten Abschnitt der Hinterflanke dieser Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls entspricht, weist folgende Abhängigkeit von den Änderungen Δζ\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes aus:

(96)

Der Impuls 48, dessen Amplitude Ua eine Funktion von der betreffenden Eigenschaft des zu kontrollierenden Stoffes 6 darstellt, gelangt vom Ausgang des Selektorverstärkers 47 (F i g. 9) zum Eingang des Spitzendetektors 49. Dieser formiert aus dem angekommenen Impuls 48 das elektrische Informationssignal 20 in Form einer Gleichspannung (F i g. 15, Diagramm »e«).

Die Amplitude dieser Spannung £3 entspricht der Amplitude ίΛ des erwähnten Impulses 48.

Vom Ausgang des Spitzendetektors 49 (F i g. 9) wird das Informationssignal 20 der Meßeinheit 23 zugeführt, in der seine Amplitude mit der Amplitude £4 (Fi g. 15, Diagramm »f«) des vom Signalformer 30 gelieferten elektrischen Referenzsignal verglichen wird. Das Differenzsignal £„=£«- £3 gelangt vom Ausgang der Meßeinheit 23 zum Registriergerät 24, dessen Anzeige die zu kontrollierende Eigenschaft des im Behälter eingeschlossenen Stoffes 6 charakterisiert

Der Empfindlichkeitsfaktor /J₇ der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaft ergibt sich hierbei aus dem folgenden Ausdruck:

lh =

SE.,

Si-S

(Ψ)

(97)

Dabei bezeichnet Uoo* die Werte von Ua bei Az\
und Δ Uoo = 0.

Berücksichtigt man, daß

^dU4 _ ->»,i. π

-2^M . (98)

(99)

sind, so läßt sich die Beziehung (97) für den Faktor ßj wie folgt umformen:

-2^ (100)

Die Anwendung der beschriebenen Ausführungsvariante der Einrichtung ermöglicht die Durchführung einer effektiven Kontrolle von Trennflächen zweier unmischbarer Flüssigkeiten sowie eine diskrete Anzeige des Niveaus von Flüssigkeiten und die Lösung anderer technischer Aufgaben.

Die Feststellung von vorhandenen Änderungen der zu kontrollierenden Eigenschaft des betreffenden Stoffes 6 von ihrem Anfangswert und die Messung der Größe dieser Änderungen z. B. bei der Konzentration q von flüssigen Lösungen können mit der zuletzt beschriebenen Variante der Einrichtung ebenfalls vorgenommen werden, wenn der Anfangswert U» der Maximalamplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls konstant ist. Eine Inkonstanz der Größe Uoo führt bei der Messung von Werten der zu kontrollierenden Stoffeigenschaft zur Nulldrift, die

beträgt, wobei ^S- die relative Änderung

der Größe U_n ist

Die durch eine Inkonstanz der Größe Um z. B. infolge einer Amplitudeninstabilität der in die Behälterwand 3 eingeführten akustischen Schwingungsimpulse 5 hervorgerufene Nulldrift der Messung der zu kontrollierenden Eigenschaft eines Stoffes 6 kann in diesem Falle vollständig beseitigt werden, indem man zwischen dem Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und ihrer Vorder' flanke einen zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 herauslöst, der vom Hauptabschnitt dieser Umhüllenden 17 in einer Entfernung liegt, die ein Vielfaches der Zeit r des doppelten Durchlaufs der Behälterwand 3 durch den akustischen Schwingungsimpuls 5 ist, und indem man aus dem herausgelösten zusatzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 ein elektrisches Referenzsignal formiert

Eine derartige Formierung des elektrischen Referenzsignals, die bei der Messung von Werten der zu kontrollierenden Eigenschaft des Stoffes 6 die Beseitigung der Nulldrift ermöglicht, wird in der Ausführungsvariante der Einrichtung nach Fig. 10 wie folgt realisiert

Mit Hilfe des durch Selektorimpulse 53 gesteuerten zweiten Selektorverstärkers 54 für die Amplitude der Umhüllenden 17 des akustischen Impulinnchhälls wird aus der Hinterflanke dieser Umhüllenden 17 ein zusatzlicher Abschnitt herausgelöst, dem ein Impuls 55 (Fig. 15, Diagramm »/mc) entspricht Dieser Abschnitt befindet sich zwischen dem im Zeitintervall r« - (te + ti) liegenden Hauptabschnitt der Umhüllenden 17 und ihrer Vorderflanke. Der Impuls 53 wird von einem dritten Selektorimpulsgenerator 52 (Fig. 10)

erzeugt, der durch die vom Generator 1 geliefertei elektrischen Impulse 4 angestoßen wird, welche übei eine dritte Zeitverzögerungseinheit 51 zur Verzögern^ der elektrischen Impulse um die Zeit τβ zugeführ werden. Diese Verzögerungszeit wird als Vielfaches dei Zeit r eingestellt, in der die akustischen Schwingung« die Behälterwand 3 zweimal durchlaufen:

Tg = b₂T, (101)

wobei bz = 1; 2... ein Multiplizitätsfaklor ist

Die Dauer τ₎₀ des Selektorimpulses 53 (Fig. 15 Diagramm »£«) wird annähernd gleich der Zeit τ eingestellt in der die akustischen Schwingungsimpulse 5 die Wand 3 des Behälters mit dem zu kontrollierender Stoff 6 zweimal durchlaufen.

Im herausgelösten zusätzlichen Abschnitt der Hinter flanke der Umhüllenden 17 ist die Maximalamplitude U (Diagramm »6«) der Umhüllenden 17 des akustischer Impulsnachhalls durch den folgenden Ausdruck gegeben:

_2i^ip (102)

Die Amplitude U₆ des Impulses 55 (Diagramm >>/κ<) der dem zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 entspricht, ist der Maximalamplitude U₅ dieser Umhüllenden 17 (Diagramm »6«) im zusätzlichen Abschnitt proportional:

= k_l3 U₅ »J

-2^ff, (103)

wobei Jti3 ein Proportionalitätsfaktor ist

Der erwähnte Impuls 55 wird vom Ausgang des zweiten Selektorverstärkers 54(Fig. 10) dem Eingang des für den herausgelösten Abschnitt der Umhüllenden 17 vorgesehenen zweiten Spitzendetektor 56 zugeführt, in dem er in eine Gleichspannung £j (Fig. 15, Ciagramm »/«) umgewandelt wird, deren Amplitude der Maximalamplitude U₆ des Impulses 55 (Diagramm »Λ«) gleich ist Die erzeugte Spannung wird zum Emitterfolger 57 (F i g. 10) übertragen, der aus dieser Spannung ein elektrisches Referenzsignal mit der Amplitude £ (F i g. 15, Diagramm »/«) formiert, die der Amplitude Ut des Impulses 55 (Diagramm »Λ«) proportional ist:

- 2 ίψ)¹" . (104)

wobei ku ein Proportionalitätsfaktor ist

Die Proportionalitätsfaktoren Jtu, ku werden hierbei so eingestellt, daß die am Ausgang der Meßeinheit 23 (Fig. 10) erhaltene Differenz E. aus dem elektrischen Referenzsignal (Fig. 15, Diagramm »fm) und dem elektrischen Informationssignal 20 (Diagramm »e«) beim Anfangswert Zbt der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 (d. h. bei Δζ, - Q) gleich Null ist:

Das elektrische Referenzsignal (Diagramm nfk) wird also mit der Amplitude

(106)

geformt.

Das dem Registriergerät 24 (Fig. 10) zugeführte Differenzsignal E_u weist folgende Abhängigkeit von den Änderungen Δζ\ der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6 auf:

(107)

Der Empfindlichkeitsfaktor ß& der Kontrolle der betreffenden Stoffeigenschaft ist hierbei durch die Beziehung gegeben:

Dank der Beseitigung der Nulldrift bei der Messung kann die beschriebene Ausführungsvariante der Einrichtung mit Erfolg nicht nur für die Kontrolle der Trenngrenze zwischen zwei unmischbaren Flüssigkeiten und zur diskreten Anzeige von Flüssigkeitsniveaus in Behältern benutzt werden, sondern auch zur Feststellung von Abweichungen der zu kontrollierenden Stoffeigenschan von ihrem Anfangswert sowie zur Ermittlung der Größe dieser Abweichungen z. B. bei der Kontrolle von Abweichungen der Konzentration q flüssiger Lösungen unabhängig von den Änderungen der Größe Um verwendet werden. Hierbei wird der Einfluß von Änderungen der Bedingungen der Einführung von akustischen Schwingungsimpulsen 5 in die Behälterwand 3 sowie der Einfluß der Amplitudenänderungen dieser Impulse auf die erwähnten Arten der Kontrolle von Eigenschaften des betreffenden Stoffes 6 beseitigt

Der Einfluß solcher Änderungen von Bedingungen der Einführung der Impulse 5 in die Wand 3 und ihrer Amplitude auf die Empfindlichkeit der Kontrolle von Eigenschaften des Stoffes 6 wird bei gleichzeitigem Ausschluß der Nulldrift bei der Messung der betreffenden Stoffeigenschaft durch Teilung von Spannungen mit (108)

den Amplituden E₃ und E₅ (Diagramme »e«, »j«)

erreicht, die aus den bei der Selektion des Hauptabschnitts und des zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke der Umhüllenden 17 erhaltenen krpulsen 48 und 55 (Diagramme »cA<, >>/κ<) geformt werden.
In der zur Lösung dieser Aufgabe bestimmten Ausführungsvariante der Einrichung nach Fig. 11 erfolgen die Herauslösung des dem zusätzlichen Abschnitt der Umhüllenden 17 entsprechenden Impulses 55 und die Formierung eines Spannungssignals mit der Amplitude E₅ (Fig. 15, Diagramm »*<) aus diesem

Impuls, die der Amplitude Lk des Impulses 55 gleich ist, mit Hilfe der Reihenschaltung 50 ähnlich der vorher beschriebenen Einrichtung nach Fig. 10. Das erwähnte elektrische Signal gelangt vom Ausgang des zweiten Spitzendetektors 56 zu einem Eingang der Divisionseinheit 58, auf deren zweiten Eingang vom Ausgang des Spitzendetektors 49 das elektrische Informationssignal 20 (F i g. 15, Diagramm »«<) gegeben wird. Am Ausgang der Divisionseinheit 58 (Fig. 11) erscheint das elektrische Signal mit der Amplitude Et, die dem Quotient von der Division der dieser Einheit 58 zugeführten elektrischen Signale gleich ist:

Ή *13

*M ist hierbei ein Proportionalitätsfaktor.

Das elektrische Ausgangssignal der Divisionseinheit 58 gelangt zu einem Eingang der Meßeinheit 23, der es mit dem vom Referenzsignalumformer 30 (F i g. 11) abgegebenen elektrischen Referenzsignal mit der Amplitude £4 verglichen wird. Die Amplitude Ea des (109)

elektrischen Referenzsignals wird dabei gleich der Amplitude des Ausgangssignals der Divisionseinheit 58 eingestellt, die dem Anfangswert 201 der akustischen Impedanz des zu kontrollierenden Stoffes 6, also Az₁ - 0 entspricht:

(HO)

Das Differenzsignal E.= E₄- E₆ mit der Amplitude

Ey =

gelangt vom Ausgang der Meßeinheit 23 zum Registriergerat 24, dessen Skala in den Maßeinheiten der zu kontrollierenden Stoffeigenschaften geeicht ist <*>

Bei einer Reihe von zu kontrollierenden Stoffen, deren akustische Impedanz annähernd gleich der akustischen impedanz der Benalterwand 3 oder höher (111)

Der Empfindlichkeitsfaktor ß₉ der Kontrolle ergibt sich dabei aus dem Ausdruck:

(112)

als diese Impedanz ist, wird das elektrische Signal mit der Information über die Eigenschaften des zu kontrollierenden Stoffes 6 geformt, indem man das

Vorzeichen des Zeitintervalls zwischen den Vorderflanken zweier verschiedenpoliger Umhüllender 17,18 des akustischen Impulsnachhalls ermittelt

In der Ausführungsvariante der Einrichtung nach F i g. 12 wird diese Aufgabe folgenderweise gelöst Ein Nonnimpulsformer 59 erzeugt einen genormten elektrischen Impuls 60 (Fig. 16, Diagramm »«<), welcher der Vorderflanke der Umhüllenden 17 des akustischen Impulsnachhalls entspricht Ober den Demodulator 61 (Fig. 12) gelangt die zweite Umhüllende 18 des akustischen Impulsnachhalls zum zweiten Normimpulsfonner 62, dessen elektrischer Normimpuls 63 (Fi g. 16, Diagramm »«<) der Vorderflanke der zweiten Umhüllenden 18 (Diagramm »rf«) des akustischen Impulsnachhalls entspricht '

Die genormten Impulse 60 und 63 (Diagramme »cw und »«<), die den Vorderflanken der Umhüllenden 17 und 18 des akustischen Impulsnachhalls entsprechen, werden von den Ausgängen der Normimpulsformer 59 (Fig. 12) und 62 den Eingängen der Meßeinheit 23 zugeführt Unter Einwirkung der auf die Eingänge der Meßeinheit 23 gegebenen Impulse 60,63 erzeugt diese Meßeinheit 23 einen Rechteckimpuls (Fig. 16, Diagramm »/«), dessen Dauer rn dem Zeitintervall zwischen zwei Nonnimpulsen 60 und 63 (Diagramme »cw, »ew) gleich ist Das Vorzeichen (positiv oder negativ) des ausgabeseitigen Rechteckimpulses der Meßeinheit 23 (Fig. 12) hängt vom Verhältnis der akustischen Impedanz Z₁ des im Behälter befindlichen Stoffes 6 und der akustischen Impedanz ζ der Behälterwand 3 ab. Wenn das Verhältnis Z\lz kleiner als 1 ist, weist dieser Impuls (Fig. 16, Diagramm »/«) die negative Polarität auf.

Ist z\lz größer als Eins, so ändern sich die Form und die Lage der beiden Umhüllenden 17' und 18', die in den Diagrammen »ix< und »dt« mit Strichlinien angegeben sind. Infolgedessen erfolgt die zeitliche Verschiebung der Normimpulse in die Lagen 60' und 63' (Diagramme »cw und »«<, gestrichelte Linien). Unter Einwirkung der genormten Impulse 60' und 63' mit veränderter zeitlicher Lage erzeugt die Meßeinheit 23 (Fig. 12) einen positiven Rechteckimpuls (Fig. 16, Diagramm )

Die Rechteckimpulse (Diagramm »/« bzw. Diagramm »#<), deren Vorzeichen die Information über die zu kontrollierende Eigenschaft des Stoffes; 6 (Fig. 12) trägt, gelangen vom Ausgang der Meßeinheit 22 zum Registriergerät 24.

Das beschriebene Verfahren zur Kontrolle von Eigenschaften des im Behälter befindlichen Stoffes, welches in den Einrichtungen nach Fig. 1, 3... 12 verwirklicht wird, ermöglicht eine überaus effektive kontaktlose automatische Kontrolle verschiedener Eigenschaften von Stoffen in Behältern beim Ablauf von technologischen Prozessen in der Hüttenindustrie, bei der Aufbereitung von Rohstoffen, in der chemischen. Erdöl- und Nahrungsmittelindustrie sowie in anderen Industriezweigen.

Hierzu 11 Blatt Zeichnungen

Claims (22)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Prüfung von solchen Eigenschaften von in einem Behälter eingeschlossenem Material, deren Änderung mit einer akustischen Impedanzänderung des Materials verbunden ist, bei dem

akustische Schwingungsimpulse in das Material durch die Behälterwand senkrecht zu dieser periodisch eingestrahlt werden und

die Behälterwand durchsetzende akustische Signale empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das Information fiber die Materialeigenschaften trägt, dadurch gekennzeichnet,

daß die die Behälterwand (3) durchsetzenden akustischen Signale nach an Stellen akustischer Impedanzänderung erfolgender Reflexion in der Einstrahlu^eszone der akustischen Schwingungsimpulse (5) empfangen werden,

daß von den empfangenen akustischen Reflexionsimpulsen nur solche ausgewertet werden, die durch ein- bis mehrfache Reflexion an der inneren Begrenzung der Behälterwand (3) entstehen, und

daß die an sich bekannten Zusammenhänge zwischen bestimmten Größen der aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Maximal- bzw. Minimalamplituden der auswertenden Reflexionsimpulse gebildeten verschiedenpolaren Hüllkurven (17; 18) und der akustischen Impedanz des in dem Behälter (3) eingeschlossenen Materials (6) zur Prüfung der genannten Eigenschaften des Materials (6) verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch ., dadurch gekennzeichnet,

daß als bestimmte Größe einer der Hüllkurven (17; 18) die Fläche (S) zwischen der Hüllkurve und ihrem Nullpegel und hieraus das Verhältnis dieser Fläche (S) zum Zeitintervall ermittelt wird, das dem Zeitabschnitt (T) zwischen zwei nacheinander eingestrahlten akustischen Schwingungsimpulsen (5) proportional ist

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zusätzlich die Maximalamplitude (U₀) der Hüllkurve (17; 18) ermittelt und mit dem genannten Verhältnis verglichen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Ermittlung der bestimmten Größe einer der Hüllkurven (i7; 18) an der Vorder- und an der Hinterflanke dieser Hüllkurve ein Abschnitt abgetrennt wird, dessen beide Enden auf zwei gegenüber der Maximalamplitude (U₀) dieser Hüllkurve wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen, und das Zeitintervall (T« = i₂ fi) zwischen den Abschnittsenden bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, f>o

daß das untere der zwei AmplitudenniveäUs veränderlich, und zwar proportional den Änderungen der Maximalamplitude der betreffenden Hüll· kurve (17 bzw. 18) des akustischen Impulsnachhalls, eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Ermittlung der bestimmten Größe einer der Hüllkurven (17; 18) aus der Hinterflanke dieser Hüllkurve ein Abschnitt abgetrennt wird, dessen beide Enden zwei gegenüber der Maximalamplitude (Uo) dieser Hüllkurve wenigstens um eine Größenordnung kleineren Amplitudenniveaus liegen, ein dem zeitlich späteren Ende des abgetrennten Abschnitts entsprechender elektrischer Impuls (36) sowie ein elektrischer Referenzimpuls (38) in einem Zeitpunkt erzeugt wird, der innerhalb des zu der Hinterflanke der Hüllkurve gehörenden Zeitintervalls liegt, und das Zeitintervall (Te) zwischen dem elektrischen Impuls (36) und dem elektrischen Referenzimpuls (38) gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der elektrische Referenzimpuls (38) mit einer zeitlichen Verzögerung proportional der Änderung der Maximalamplitude der Hüllkurve (17· 18) des akustischen Impulsnachhalls erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Ermittlung der bestimmten Größe einer der Hüllkurven (17; 18) aus der Hinterflanke dieser Hüllkurve ein Abschnitt (T₇) abgetrennt wird, dessen Länge ungefähr der doppelten Behälterwand-Durchlaufzeit des akustischen Schwingungsimpulses (5) entspricht uk4 der von der Vorderflanke dieser HüUkurve (17; 18) in einem Abstand wenigstens um eine Größenordnung länger als die doppelte Behälterwand-Durchlaufzeit des akustischen Schwingungsimpulses (5) liegt, und die Maximalamplitude (U₃) der Hüllkurve (17; 18) in diesem Abschnitt ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen dem genannten Abschnitt (Ti) (Hauptabschnitt) und der Vorderflanke der betreffenden HüUkurve (17; 18) ein zusätzlicher Abschnitt (Tw) abgetrennt wird, der von dsm Hauptabschnitt (T₆) dieser Hüllkurve (17; 18) um ein Vielfaches der doppelten Behälterwand-Durchkufzeit des akustischen Schwingungsimpulses (5) entfernt ist, und die Maximalamplitude (Lh, Lk) der Hüllkurve (17; 18) im Zusatzabschnitt (T₁₀) verglichen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Ermittlung der bestimmten Größe einer der Hüllkurven (17; 18) das Vorzeichen des zwischen den Vorderflanken der zwei verschiedenpolaren Hüllkurven (17; 18) des akustischen Impulsnachhalls liegenden Zeitintervalls ermittelt wird.

11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Prüfung der Eigenschaften von in einem Behälter eingeschlossenem Material nach Anspruch 1,

mit einem an einen Impulsgenerator angeschlossenen akustischen Wandler, der unmittelbar an der Außenfläche der Behälterwand angeordnet ist und akustische Schwingungsimpulse erzeugt, die in das Material durch die Behälterwand eingestrahlt, dann empfangen und in akustische Signale umgewandelt werden, die dem Signaleingang

eines Informationssignalgenerators zugeführt werden, der ein Signal mit Information über die Eigenschaften des Materials erzeugt und dessen Ausgang mit dem Eingang

einer Meßeinheit elektrisch verbunden ist, die an ein Registriergerät angeschlossen ist,

gekennzeichnet

durch eine Reihenschaltung (11)

aus einer Zeitverzögerungseinheit (12) zur Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang am Ausgang des Impulsgenerators (1) liegt, aus einem Selektivimpulsgenerator (13) sowie

aus einem Selektiwerstärker (15) zur Verstärkung akustischer Signale, dessen Signaleingang mit dem akustischen Wandler (2) verbunden ist, und

durch einen Hüllkurvendemodulator (16) für die Demodulation der Hüllkurven (17,18) des zwischen der Außenfläche der Behälterwand (3) und dem Material (6) entstehenden akustischen Impulsnachhalls, von dem der Eingang an den Ausgang des Selektiwerstärkers (15) und der Ausgang an den Signaleingang des Informationssignalgenerators (19) elektrisch angeschlossen ist (F i g. 1).

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der Informationssignalgenerator (19) auf der Grundlage eines Integrators (21) für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls ausgeführt ist (Fig-1).

13. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen für die Hüllkurve (17) des akustischen

Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25), dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) des akustischen Impulsnachhalls und dessen Ausgang an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) elektrisch angeschlossen ist,

wobei die Meßeinheit (23) eine Differenzschaltung ist (F ig. 3).

14. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Spitzendetektor (25) für die Hüllkurve

(17) des akustischen Impulsnachhalls, dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) angeschlossen ist,

durch einen Dividierer (29) für elektrische Signale (26, 20), dessen Eingänge an den Ausgang des Spitzend^tektors (25) für die Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls sowie des Hüllkurven-Integrators (21) und dessen Ausgang an den Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen sind, und

durch einen Referenzsignalgenerator (30) zur Erzeugung eines elektrischen Referenzsignals, dessen Ausgang am zweiten Eingang der Meßeinheit (23) liegt, die eine Differenzschaltung ist (F i g. 4).

15. Einrichtung nach Anspruch Jl, gekennzeichnet durch einen Begrenzer (31) zur Begrenzung der

Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls auf so zwei Amplitudenpegel, der einen elektrischen Impuls (32) erzeugt, dessen Vorder- und Hinterflanke den zwei Abschnitten der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls entsprechen, deren Enden auf den awei Amplitudenniveaus liegen,

wobei vom Begrenzer (31) der Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) und der Ausgang an den Eingang des Informationssignalgenerators (19) angeschlossen sind, der zur Messung der Dauer elektrischer Impulse ausgebildet ist (F if-5).

16. Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen für die Hüllkurve (17) des akustischen

Impulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25) zur Einstellung des unteren Amplitudenniveaus der t.5 abgetrennten Abschnitte der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsncjhhalls,
dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurven· demodulators (16) und dessen Ausgang an den gesteuerten Eingang des Begrenzers (31) elektrisch angeschlossen ist (F i g. 6).

17. Einrichtung nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet,

daß der Informationssignalgenerator (19) einen Begrenzer (31) zur Begrenzung der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls auf zwei Amplitudenpegeln zwecks Abtrennung eines Abschnitts aus der Hinterflanke der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls sowie einen mit dem Begrenzer (31) in Reihe geschalteten Differenzierer (35) enthält, die einen dein abgetrennten Abschnitt der Hüllkurvenhinterflanke entsprechenden elektrischen Impuls (36) erzeugt,

wobei der Eingang des Begrenzers (31) als Eingang des Informationssignalgenerators (19) und der Ausgang des Differenzierers (35) als Ausgang des Inforaiationssignalgenerators (19) dienen, und

daß eine Zeitverzögerungseinheit (37) zur Verzögerung elektrischer Impulse ν ^ gesehen ist, die einen elektrischen Referenzimpuls (la) erzeugt und mit ihrem Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators (1) sowie mit ihrem Ausgang an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen ist,

dw zur Messung von Zeitintervallen ausgebildet ist (F ig. 7).

18. Einrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen für die Hüllkurve (17) des akustischen

Irr.pulsnachhalls vorgesehenen Spitzendetektor (25), dessen Eingang an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) angeschlossen ist, sowie

durch eine Einheit (42) zur Steuerung der zeitlichen Verzögerung elektrischer Impulse, deren Eingang an den Ausgang des Spitzendetektors (25) und deren Ausgang an den gesteuerten Eingang der Zeitverzögerungseinheit (37) angeschlossen ist (F ig. 8).

19. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der Informationssignalgenerator (19) für das elektrische Informationssignal (20) zwecks Abtrennung eines Abschnitts der Hinterflanke bei der betreffenden Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls eine Reihenschaltung (43)

aus einer zweiten Zeitverzögerungseinheit (44) zur Verzögerung elektrischer Impulse,

aus einem zweiten Selektivimpulsgenerator (45) und

aus einem Selektiwerstärker (47) zur Verstärkung der Amplitude der betreffenden Hüllkurve (17) umfaßt,

daß ein Spitzendeiektor (49) für den abgetrennten Anschnitt der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehen ist, dessen Eingang an den Ausgang des Selektivverstärkers \Λ7) angeschlossen ist, und

daß der Eingang der zweiten Zeitverzögerungseinheit (44) mit dem Ausgang des Impulsgenerators (1) verbunden ist und als gesteuerter Eingang des Informationssignalgenerators (19) des elektrischen Informationssignals (20) dient,

von dem der Signaleingang durch den Signaleingang des für die Verstärkung der Amplitude der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls vorgesehenen Selektivverstärkers (47) und der Ausgang durch den Ausgang des Spitzendetektors (49) gebildet werden (F i g. 9).

20. Einrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung (50) aus einer dritten

Zeitverzögerungseinheit (51) zur Verzögerung elektrischer Impulse,

aus einem dritten Selektivimpulsgenerator (52) zur Erzeugung von Selektivimpulsen (53),

aus einem zweiten Seiektiwerstärker (54) zur Verstärkung der Amplitude der Hollkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls und zur Abtrennung eines zusätzlichen Abschnitts der Hinterflanke der betreffenden Hüllkurve (17), der zwischen dem Hauptabschnitt der Hüllkurve (17) und ihrer Vorderflanke liegt, sowie

aus einem zweiten Spitzendetektor (56) für den abgetrennten zusätzlichen Abschnitt der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls,

wobei verbunden sind:

der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit (51) mit dem Ausgang des Impulsgenerators (1),

der Signaleingang des zweiten Selektivverstärkers (54) mit dem Ausgang des Hüllkurvendemodulators(16)und

der Ausgang des zweiten Spitzendetektors (56) mit dem zweiten Eingang der als Differenzschaltung aufgebauten Meßeinheit(23)(Fig. 10).

21. Einrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung (50)

aus einer dritten Zeitverzögerungseinheit (51) zur Verzögerung elektrischer Impulse,

aus einem dritten Selektivimpulsgenerator (52),

aus einem zweiten Selektivverstärker (54) für die Amplitude der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls, der zur Abtrennung eines zwischen dem erwähnten Hauptabschnitt der Hüllkurve (17) und ihrer Hinterflanke liegenden zusätzlichen Abschnitts aus der Hinterflanke dieser Hüllkurve (17) bestimmt ist, sowie

aus einem zweiten Spitzendetektor (56) für den abgetrennten zusätzlichen Hüllkurvenabschnitt,

wobei der Eingang der dritten Zeitverzögerungseinheit (51) an den Ausgang des Impulsgenerators (1) und der Signaleingang des zweiten Selektiwerstärkers (54) an den Ausgang des Hüllkurvendemodulators (16) angeschlossen sind,

durch einen Dividierer (58) für elektrische Signale, dessen Eingänge mit dem Ausgang des ersten und des zweiten Spitzendetektors (49, 56) für die abgetrennten Abschnitte der Hüllkurve (17) und dessen Ausgang mit dem Eingang der Meßeinheit (23) verbunden sind, und

durch einen Referenzsignalgenerator (30), dessen Ausgang an den zweiten Eingang der als Differenzschaltung ausgeführten Meßeinheit (23) geschaltet ist (F ig. 11).

22. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet,

durch einen Normimpulsformer (59) als Informationssignalgenerator (19) des elektrischen Informationssignals (20),

wobei im Nonnimpulsformer (59) die Formung eines der Vorderflanke der Hüllkurve (17) des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses (60) erfolgt, sowie durch eine Reihenschaltung

aus einem zweiten Hüükurvendemodulator (61) für die zweite Hüllkurve (18) des akustischen Impulsnachhalls, dessen Eingang an den Ausgang des Selektiwerstärkers (15) geschaltet ist, sowie aus einem zweiten Normimpulsformer (62) zur Formung eines der Vorderflanke der zweiten Hüllkurve (18) des akustischen Impulsnachhalls entsprechenden genormten elektrischen Impulses (63),

wobei der Ausgang des zweiten Nonnimpulsformers (62) an den zweiten Eingang der Meßeinheit (23) angeschlossen ist, die zur Messung der Zeitdifferenz bei der Formung von genormten elektrischen Impulsen (60,63) ausgebildet ist, die den Vorderflanken der beiden verschiedenpolaren Hüllkurven (17, 18) des akustischen Impulsnachhalls entsprechen (Fig. 12).