DE2922537A1 - Geraet und verfahren zur messung der schallintensitaet - Google Patents

Description

DR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER

Patentanwälte

München.

1. Juni 1979

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Pienzenauerstraße 28

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Telegramme: Chemlndus München

Telex: (O) 523992

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OCEAN ECOLOGY LTD.
2025 T.D. Edmonton Centre, Edmonton, Älberta, Kanada

Gerät und Verfahren zur Messung der Schallintensität

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ORIG[NAL INSPECTED

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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Amplitude von Schallwellen.

Es ist schwierig, eine genaue Messung der Leistung eines Schallgenerators zu erhalten, besonders wenn es sich um ultraschall handelt. Die beispielsweise durch einen Ultraschallwandler erzeugte Schwingungsenergie läßt sich nicht leicht ohne die Verwendung einer ziemlich komplizierten Ausrüstung messen, die am besten durch einen erfahrenen Techniker bedient wird. Eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Strahlungskraft eines Piezokristallgebers ist in der US-Patentschrift 2 827 978 vom 25.3.1958 beschrieben. Ein weiteres Gerät ist durch die US-Patentschrift 2 874 794 vom 24.2.1959 bekannt geworden. Diese patentierten Vorrichtungen sowie andere ähnliche Instrumente stellen hohe Ansprüche an die Geschicklichkeit und an das Fachwissen des Benutzers, da sich sonst nicht sehr genau oder zuverlässig sind. Ein Grund hierfür besteht darin, daß jedes Instrument, das die Strahlungsdruckphänomene zur Schallmessung ausnutzt, eine gewisse Form von Strahlabgleich zur Schallmessung verwenden muß, so daß ein empfindliches Präzisionsinstrument benutzt werden muß, das nicht sehr zuverlässig ist, wenn es nicht sehr sorgfältig behandelt wird. Es gibt weitere Instrumente zur Messung der prozentualen Bestandteile in einer Flüssigkeit durch Messung der Schallgeschwindigkeit in dieser Flüssigkeit, jedoch sind diese Instrumente kompliziert und teuer und erfordern auch die Verwendung von Computern.

Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Leistung eines

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Ultraschallwandlers durch die Verwendung der sehr hohen Energie, die an einem bestimmten Punkt konzentriert werden kann, wenn ein Schallstrahl richtig fokussiert wird. Es ist bekannt, daß, wenn sich der Brennpunkt unterhalb der Oberfläche eines Flüssigkeitskörpers befindet, der erhaltene Strahlungsdruck ausreichend groß ist, um das Herausspritzen einer Fontäne der Flüssigkeit über die Flüssigkeitsoberfläche hinaus zu bewirken. Dieses Phänomen bildet die Basis des US-Patentes 4 032 438 vom 28.6.1977. Die Höhe des Flüssigkeitsstrahls, wenn er aufrechterhalten und seitlich richtig begrenzt wird, kann gemessen und mit der Energieabgabe des Wandlers in Beziehung gesetzt werden, für welchen Zweck die Erfindung die Mittel zur Verfügung stellt. Ferner sind erfindungsgemäß zusätzliche Mittel für das Fließen einer Testflüssigkeit durch den fokussierten Schallstrahl vorgesehen, so daß die erhaltene Messung von einer Bezugsablesung entsprechend dem Impedanzfaktor der Testflüssigkeit abweicht und diese überprüfte Messung kann dazu verwendet werden, ein System zu regeln, welches die Testflüssigkeit erzeugt. Beide Ausführungsformen der Erfindung sind einfach und billig herzustellen und können leicht selbst von relativ ungeschulten Personen bedient werden.

Das erfindungsgemäße Gerät ist im besonderen ein Schallmeßgerät mit einem Behälter, der eine Umfangswand und einen Bodenverschluß transparent für Schallenergie aufweist, einem Flüssigkeitskörper innerhalb des Behälters, welcher Flüssigkeitskörper teilweise von dem Bodenverschluß getragen wird und dessen Oberfläche sich zwischen der Höhe der Umfangswand befindet, einem Rohr, das innerhalb des Behälters oberhalb des Flüssigkeitskörpers getragen wird und ein offenes unteres Ende aufweist, das in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche sich befindet, einer Halterung als Träger eines schallerzeugenden Wandlers unterhalb des

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Bodenverschlusses und in Schwingungskontakt mit diesem, so daß durch den Wandler erzeugte Schwingungen durch den Flüssigkeitskörper nach oben als Schallwellen wandern, einer Fokussiereinrichtung zum Konzentrieren der Schallwellen an einem Fokalbereich, der in einem bestimmten Abstand unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, so daß eine Säule der erwähnten Flüssigkeit nach oben in das Rohr bis zu einer Höhe gerichtet wird, die zur Leistung des Wandlers proportional ist, und einer Meßeinrichtung zur Anzeige der Höhe der Flüssigkeitssäule innerhalb des Rohres.

In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht im vertikalen Schnitt eines erfindungsgemäßen Schallmeßgerätes gemäß einer Ausführungsform;

Fig. 2 eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten Gerätes;

Fig. 3 eine Ansicht im vertikalen Schnitt einer weiteren Ausfuhrungsform des Schallmeßgerätes;

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 3 und

Fig. 5 eine schematische Darstellung, welche beispielsweise die Ausführungsform nach Fig. 3 in eine Anlage zur Erzeugung von Chemikalien eingebaut zeigt.

Die Erfindung ist hauptsächlich auf Ultraschall oder auf Schall gerichtet, dessen Frequenz zu hoch ist, um von dem menschlichen Ohr gehört zu werden. Es ist jedoch zu erwähnen,

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daß Hochfrequenzschall innerhalb des Bereichs des menschlichen Gehörs mit Hilfe der Erfindung gemessen werden kann, die zum Testen von schallerzeugenden Vorrichtungen angepaßt werden kann, die andere als solche sind, welche mit dem in den Zeichnungen dargestellten Typ von Wandler ausgerüstet sind. Die nachfolgende Beschreibung befaßt sich in der Hauptsache mit ültraschallenergie, obwohl die Erfindung natürlich auch zur Messung der Schwingungen einer Schallquelle dienen kann, die für Menschen hörbar ist.

In Fig. 1 und 2 der Zeichnungen bezeichnet 10 allgemein ein Schallmeßgerät gemäß einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung. Das Gerät 10 besitzt einen Ständer 12, auf den ein zylindrischer Behälter 14 aufgesetzt ist.

Der allgemein mit 12 bezeichnete Ständer ist mit einer Grundplatte 16 ausgebildet, von der aus sich zylindrische Seitenwandteile 17 nach oben erstrecken, die in der ümfangsrichtung voneinander in Abstand sind, um gegenüberliegende Seitenöffnungen 18 zu bilden. Der Behälter 14 sitzt in einer ringförmigen Ausnehmung 19, die im Wandteil 17 herausgearbeitet ist, so daß er in einfacher Weise durch die Verwendung von Stellschrauben 20 in diesem gesichert werden kann.

Der allgemein mit 14 bezeichnete Behälter ist vorzugsweise aus einem geeigneten transparenten Kunststoff hergestellt und weist eine Umfangswand 22, einen abnehmbaren Deckel 23 und einen Bodenflansch 24 auf. Der nach innen gerichtete Flansch 24 begrenzt eine große öffnung 25 und ein Bodenverschluß 26 aus einer dünnen und flexiblen Membran ist bei 27 an der Unterseite dieses Flansches befestigt. Wie ersichtlich, hat der Bodenverschluß 26einen grösseren Durchmesser als die öffnung 25, so daß er unterhalb des Bodenflansches 24 eine Tasche bildet, wie in Fig. 1 gezeigt.

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Der Verschluß 26 ist für Schallenergie transparent, d.h. er läßt Schallwellen hindurchtreten, ohne diese Wellen in einem wesentlichen Maße zu stören.

Das Gerät 10 ist in erster Linie zur Verwendung zur Messung der Leistung von schallerzeugenden Vorrichtungen bestimmt, die elektrisch erregte Wandler zur Erzeugung von Schwingungsenergie verwenden. Die meisten solcher Wandler sind im wesentlichen flach und die zu ihnen gehörenden Teile sind verhältnismässig klein und kompakt, was ein Grund zur Wahl der dargestellten Vorrichtung als typischer Schallerzeuger ist. In Fig. 1 ist ein Beispiel eines elektrischen ültraschallerzeugers gezeigt, der eine therapeutische Einheit 35 bildet, welche periodisch getestet werden soll. Diese besondere Einheit besitzt einen Kopf 37, auf dem ein Wandler 38 angeordnet ist. Ein Handgriff 39 am Kopf trägt eine Leitungsschnur 40, die zu einem nicht gezeigten Hochfrequenzoszillator führt. Wenn der Oszillator an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, wird der Wandler mit einer sehr hohen oder Ultraschallfrequenz in Schwingungen versetzt, welche durch das erfindungsgemäße Gerät gemessen werden kann.

Zur Verbindung der Einheit 35 mit dem Instrument 10 ist der Ständer 12 mit Halterungen versehen, die allgemein mit 43 bezeichnet sind. Diese Halterungen werden durch zwei waagrecht angeordnete Schrauben 44 gebildet, von denen je eine durch jeden der Wandteile 17 geschraubt ist, so daß die Schrauben aufeinander zu bzw. voneinander weg verstellt werden Minnen. Die Einheit 35 wird durch eine der seitlichen öffnungen 18 so eingesetzt, daß der Handgriff 39 waagrecht ist und der Kopf 37 sich zwischen den Schraubenenden befindet, worauf die Schrauben angezogen werden können, um die Einheit so in ihrer Lage zu halten, daß sich der Wandler 38 in Kontakt mit dem Bodenverschluß 26 befindet.

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Es ist wünschenswert, einen dünnen überzug 47 aus einer geeigneten Gelatine auf die Oberseite des Wandlers aufzubringen, bevor er in die Teststellung gebracht wird, da die Gelatine dazu dient, die übertragung der Ultraschallenergie auf den Verschluß 26 zu verbessern.

Die Ultraschallschwingungen, die erzeugt werden, wenn der Wandler 38 erregt wird, wandern durch den Behälter 14 schneller nach oben, wenn ein geeignetes Fortpflanzungsmedium in diesem vorgesehen ist, für welchen Zweck der Behälter teilweise mit Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gefüllt ist, die allgemein mit 50 bezeichnet ist. Die Flüssigkeit 50 hat eine mit 51 bezeichnete Oberfläche. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit so gefärbt, daß sie von der Aussenseite des Behälters klar erkennbar ist, oder sie kann für den gleichen Zweck eine gefärbte Oberschicht (nicht gezeigt) haben.

Bei dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Schallwellen durch eine allgemein mit 54 bezeichnete Einrichtung konzentriert oder fokussiert. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Fokussiereinrichtung 54 eine akustische Linse 55, die an der Behälterwand 22 in einem kurzen Abstand oberhalb des Bodenverschlusses 26 befestigt ist. Die Linse 55 weist eine Mittelöffnung 56 auf, deren Seitenkante einem parabolischen Reflektor 57 gegenüberliegt. Eine dünne flexible Membran 58 ist in geeigneter Weise mit der Oberseite der Linse abgedichtet, um die öffnung 56 zu verschließen, welche Membran ebenso wie der Bodenverschluß 26 akustisch transparent ist. An der Unterseite der Membran 58 ist ein mittig angeordneter konischer Reflektor 59 befestigt. Die Anordnung der Reflektoren 57 und 59 ist derart, daß durch die Einheit 35 erzeugte Schallwellen auf einen Fokalbereich konzentriert werden, der in Fig. 1 mit 60 bezeichnet ist. Der Fokalbe-

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reich 60 befindet sich, wie ersichtlich, in der Mitte des Behälters und in einem kurzen Abstand unterhalb der Oberfläche 51 der Flüssigkeit. Daher ist die am Fokalbereich konzentrierte Energiemenge ausreichend groß, daß eine Fontäne der Flüssigkeit nach oben als Säule herausspritzt, die in Fig. 1 mit 62 bezeichnet ist.

Um das Zusammenstürzen der Flüssigkeitssäule 62 zu verhindern, ist das Gerät 10 mit einem Rohr 65 versehen. An den Deckel 23 des Behälters ist ein Ansatz 66 auf seiner Unterseite angeformt und das transparente Rohr 65 ist an diesem Ansatz so befestigt, daß es sich in der Mitte des Behälters und unmittelbar oberhalb des Fokalbereiches 60 befindet. Das untere Ende 67 des Rohres ist nach aussen erweitert oder glockenförmig, wie in Fig. 1 gezeigt und befindet sich in einem kurzen Abstand unterhalb der Oberfläche 51 der Flüssigkeit. Es ist zwecknässig, die Innenfläche bzw. Bohrung 68 des Rohres mit einem geeigneten Material, wie Silikon, zu behandeln, damit die Flüssigkeit nicht an dieser Fläche haftet oder auf dieser Perlen bildet, wenn sie als Säule nach oben gerichtet wird. Der Ansatz 66 ist mit einer Entlüftungsöffnung 69 versehen, welche normalerweise die Bohrung 68 mit der Aussenluft verbindet, so daß die Flüssigkeitssäule im Rohr ansteigen und fallen kann.

Wenn die Säule 62 nach oben in das Rohr gerichtet wird, flukturiert sie etwas, teilweise infolge der Tendenz der Säule,sich innerhalb des Rohres quer zu bewegen, obwohl das Rohr eine geeignet enge Bohrung hat, um ein solches Fluktuieren so weit als möglich zu verringern. Die Säule wird innerhalb des Rohres ferner durch eine Stange 70 geführt und stabilisiert. Diese Stange ist an einem kleinen Aufhänger 71 aufgehängt, der von dem Rohr so getragen v/ird, daß er zur Längsachse des Rohres zentriert ist, wobei das unterste

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Ende 72 der Stange vorzugsweise innerhalb des glockenförmigen unteren Endes 67 angeordnet ist und sich nur in einem kurzen Abstand oberhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet. Durch die Stange 70 wird in der Tat die Säule verstärkt und beruhigt, wodurch seitliche Bewegungen der Säule vermindert werden, die sonst zu einer unerwünschten Höhenveränderung führen könnten.

Die Säule 62 steht natürlich im Rohr oder bleibt in dieser stehen, so lange der Wandler 38 erregt bleibt, und die Höhe der Säule kann durch allgemein mit 75 bezeichnete MIttel gemessen werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Meßeinrichtung 75 eine Skala 76, die an der Aussenf lache des Rohres markiert ist. Die lineare Skala 76 erscheint auf opaken Teilen 77 des Rohres. Diese in der Querrichtung in Abstand voneinander befindlichen Teile 77 bilden einen transparenten Schlitz 78 und durch diesen Schlitz und die transparente Wand 22 kann die Säule von der Aussenseite des Behälters gesehen werden. Die Skala 76 ist in Zentimetern od. dgl. geeicht, um ein genaues Maß der Höhe der Säule zu liefern, wobei die Säulenhöhe proportional der Leistung des Wandlers 38 ist.

Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, die therapeutische Einlieit 35, die durch das erfindungsgemäße Gerät getestet werden soll, abzuschalten und die Säule 62 innerhalb des Rohres auf ihrer maximalen Höhe zu halten. Dies kann durch die Verwendung eines in Fig. 1 und 2 allgemein mit 80 bezeichneten Ventils geschehen. Das Ventil 80 besitzt einen Ventilteller 82, der am Behälterdeckel durch einen Drehzapfen 83 befestigt 1st. Auf der dem Drehzapfen entgegengesetzten Seite des Ventiltellers ist eine Nase 84 vorgesehen, so daß der Teller waagrecht über einen kurzen Bogen auf dem Deckel verschwenkt werden kann, wobei er in luftdichter Auflage auf diesem verbleibt. Der Teller

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ist mit einer mittig angeordneten öffnung 85 versehen, die mit der Entlüftungsöffnung 69 in Oberdeckung gebracht werden kann, die in der Nabe vorgesehen ist und sich in die Bohrung 68 des Rohres erstreckt.

Das Schallmeßgerät IO ist leicht bedienbar zum Testen des Wirkungsgrades einer Vorrichtung, beispielsweise der therapeutischen Einheit 35. Diese Einheit wird einfach in akustischen Kontakt mit dem Bodenverschluß 26 eingebaut, wobei sie von der Halterung 43 getragen wird. Der Ventilteller 82 ist so angeordnet, daß sich die öffnung in überdeckung mit der Entlüftungsöffnung 69 befindet, worauf ein Schalter geschlossen wird, um den Wandler 38 zu erregen. Durch den schwingenden Wandler erzeugte untere Schallwellen wandern durch die Flüssigkeit 5O nach oben und werden durch die Linse 55 auf den Bereich 60 fokussiert. Die entstehende Flüssigkeitssäule 62, welche durch die konzentrierte Schallenergie nach oben getrieben wird, wird gegen seitliches Zusammenstürzen sowohl durch das Rohr als auch durch die Stange 70 gehalten, so daß es eine sehr einfache Angelegenheit für den Betrachter ist, die Höhe der Säule an der Skala 76 abzulesen. Wenn gewünscht, verschiebt die Bedienungsperson des Gerätes den Ventilteller 82, um die öffnung 85 ausser überdeckung mit der Entlüftungsöffnung 86 zu bringen, wie in Fig. 2 gezeigt und schaltet dann das Schließen des elektrischen Stroms zum Wandler ab. Die Säule 62 hängt im Rohr, da das Rohr nicht mehr zur Aussenluft entlüftet ist und die Ablesung der Leistungsabgabe des Wandlers kann zu einem späteren und geeigneteren Zeitpunkt vorgenommen werden.

In Fig. 3 und 4 der Zeichnungen ist mit 1OO eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezeichnet. Das Schallmeßgerät 10 ist mit einem Ständer 12 versehen, der wie voran-

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gehend beschrieben ausgebildet ist und einen Behälter 102 trägt. Dieser besondere Behälter, der nicht unbedingt transparent ist, hat eine zylindrische Wand 103 sowie einen abnehmbaren Deckel 104 und einen akustisch durchlässigen Bodenverschluß 105.

Der Behälter 102 ist mit einer akustischen Linse 108 ausgerüstet, die eine Mittelöffnung 109 aufweist, wobei die parabeiförmige Seite 110 dieser öffnung gestuft ist, wie in Fig. 3 gezeigt. Eine dünne flexible und akustisch " transparente Membran 111 ist in geeigneter Weise dichtend an der Oberseite der Linse angebracht. Die Linse befindet sich in einem kurzen Abstand oberhalb des Verschlusses 105, um innerhalb des Behälters eine Kammer 114 zu bilden. Zugang zu der Kammer 114 besteht über einen Einlaß 115 in der Seitenwand 103. Ein in die Behälterwand eingesetzter Gewindestöpsel 116 verschließt normalerweise den Einlaß 115.

Oberhalb der Membran 111 ist der Behälter 102 mit einem sich nach innen erstreckenden Flansch 120 versehen, welcher ringförmige Flansch eine mittig angeordnete öffnung 121 begrenzt. An der Unterseite des waagrechten Flansches 120 ist eine weitere schalldurchlässige Membran 122 befestigt, um die öffnung 121 zu verschließen. Auf diese Weise wird eine etwas grössere Kammer 123 innerhalb des Behälters oberhalb der Kammer 114 erhalten.

Die Behälterwand 103, welche die Kammer 123 umschließt, ist mit diametral entgegengesetzten mit Gewinde versehenen Anschlußstücken 125 versehen, welche für die Kammer öffnungen 126 bilden. Ein Rohrabschnitt 127 ist an jedem der Anschlußstücke mit Hilfe einer Kupplungsmutter 128 befestigt, und diese Rohrabschnitte bilden einen Teil einer Flüssigkeitstestschaltung, die nachfolgend näher beschrieben wird.

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Oberhalb des Flansches 12Ο ist der Behälter mit einem Zwischenbehälter 130 versehen, der eine Bodenwand, eine Seitenwand und eine obere Wand 131, 132 und 133 aufweist. In der Bodenwand des Zwischenbehälters ist eine mittig angeordnete öffnung 134 vorgesehen, die durch eine schalldurchlässige Membran 135 abgeschlossen ist, welche an der Unterseite der Bodenwand befestigt ist. Die obere Wand 133 ist bei 136 perforiert und mit einem konischen Auslaß 137 versehen, der konzentrisch um die vertikale Achse des Behälters nach oben ragt.

Im Behälter ist zwischen dem Zwischenbehälter 130 und dem Flansch 120 eine Kammer 140 begrenzt. Diese Kammer weist entgegengesetzte Öffnungen 141 auf, in welche Anschlußstücke 142 eingeschraubt sind und in der Behälterwand 103 sitzen. In Fig. 3 sind die Anschlußstücke 142 durch Kappen 143 verschlossen dargestellt.

Von dem Deckel 1Ο4 des Behälters ist ein Ansatz 146 nach unten gerichtet, in welchem eine Entlüftungsöffnung 147 vorgesehen ist. Ein mittig angeordnetes Rohr 148 ist auf den Ansatz aufgeschraubt, das ein glockenförmiges unteres Ende 149 aufweist, das sich über dem Auslaß 137 des Zwischenbehälters erstreckt, wie in Fig. 3 gezeigt.

Der Behälter 102 ist mit einem Ventil 80 zum öffnen und Verschließen der Entlüftungsöffnung 147 versehen. Da das Ventil 80 von der vorangehend beschriebenen Art ist, sind in Fig. 3 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Das Schallmeßgerät 100 ist insbesondere zur Verwendung als Regelvorrichtung in einem chemischen System bestimmt und erfordert für diesen Zweck die Verwendung eines elek-

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trischen Ultraschallgenerators von bekannter und konstanter Leistung, wie z.B. die in Fig. 3 allgemein mit 150 bezeichnete Vorrichtung. Die Vorrichtung 150 besitzt einen Kopf 151, der einen Wandler 152 trägt. Vorzugsweise ist in die Vorrichtung ein Oszillator 153 eingebaut und eine Leitungsschnur 154 dient zur Verbindung des Oszillators mit einer Wechselstromquelle. Die vorangehend beschriebene Halterung 43 dient als Träger einer solchen schallerzeugenden Vorrichtung auf dem Ständer 12, wobei sich der Wandler 152 in akustischem Kontakt mit dem Bodenverschluß 105 des Behälters befindet.

Im Behälter 102 ist ein Körper einer schalleitenden Flüssigkeit 160 vorgesehen, jedoch besteht bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Flüssigkeit aus gesonderten Teilen, die nachfolgend beschrieben werden. Der eine Teil 16OA füllt die Kammer 114 vollständig und wird in diese durch den Einlaß 115 bei waagrecht gehaltenem Behälter eingegossen. Die Kammer 123 ist vollständig mit einem flüssigen Teil 160B gefüllt. Der Zwischenbehälter 130 enthält einen flüssigen Teil 160C, der in diese durch vorübergehendes Entfernen des oberen Deckels 104 des Behälters so eingegossen wird, daß der Zwischenbehälter gefüllt werden kann, bis die Oberseite 161 des Flüssigkeitsteils sich gerade unterhalb der oberen Wand 133 befindet. Wenn eine der Kappen 143 entfernt und der Behälter wieder waagrecht geneigt wird, wird die Kammer 140 vollständig mit einem flüssigen Teil 106D gefüllt.

Wenn der Wandler 152 in Schwingungen versetzt wird, wandern die Ultraschallwellen aufwärts durch die Flüssigkeit 160 und werden sie durch die Linse 108 auf einem Fokalbereich 165 fokussiert. Fig. 3 zeigt den Fokalbereich 165 in der Mitte des Behälters und etv/as unterhalb der Oberfläche 161 des obersten flüssigen Teils angeordnet. Die fokussierten

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ultraschallwellen erzeugen eine Säule 168, die durch das Rohr 148 getragen oder seitlich gegen seitliches Zusammenstürzen begrenzt wird.

Die Höhe der Säule 168 wird durch allgemein mit 180 bezeichnete Anordnung gemessen. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, besitzt die Anordnung 180 eine elektrische Schaltung 181, die einen Leiterstab 182 aufweist. Dieser Stab von geringem Durchmesser ist an einer Hängehalt er ung 183 angebracht, die von dem Rohr getragen wird, welche Stange sich nach unten durch das Rohr so weit erstreckt, daß das unterste Ende der Stange unmittelbar unterhalb der Oberfläche des flüssigen Teils 161 und unmittelbar oberhalb des Fokalbereiches 165 endet. Die Stange 182 ist aus einem Material geformt, das einen hohen elektrischen Widerstand hat und die Stange hat auch eine mechanische Funktion, nämlich die Führung und Stabilisierung der Säule innerhalb des Rohres.

Die Anordnung 180 besitzt ferner einen Ring 185 aus einem Material von geringerem Widerstand, der an der Oberseite der Bodenwand 131 des Zwischenbehälter so befestigt ist, daß er die öffnung 134 umgibt. Der Ring 185 ist in den flüssigen Teil 160C eingetaucht und vorzugsweise konzentrisch um den Fokalbereich 165. Ein Leitungsdraht 186 verbindet die Hängehalterung 183 und damit die Stange 182 mit einer Wechselstromquelle 187. Ein weiterer Leitungsdraht 188 verbindet den Ring 185 elektrisch mit einem Verstärker 189, der durch einen Leitungsdraht 190 ebenfalls mit der Stromquelle verbunden ist. Der Verstärker 189 dient dazu, den hochtransformierten Wechselstrom auf einen geeigneten Anzeiger 192 zu übertragen. Dieses Meßgerät bzw. dieser Anzeiger ist in geeigneter Weise geeicht, um eine Ablesung der Höhe der Säule 168 und damit der durch den Wandler 152 erzeugten Schallintensität abzulesen.

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Es ist bekannt, daß Ultraschall zum Testen einer Vielfalt von Feststoffen sowie Flüssigkeiten verwendet v/erden kann. Es wurde vorgeschlagen, Ultraschallwellen durch ein flüssiges Medium hindurchtreten zu lassen, das Feststoffteilchen od. dgl. enthält, so daß die gemessene Signalamplitude eine Anzeige der Menge der Feststoffe in der Flüssigkeit gibt. Das Gerät 100 ist für eine solche Meßaufgabe besonders geeignet und der Rohrabschnitt 127 kann an ein System so angeschlossen werden, daß die zu testende Flüssigkeit durch das Gerät fließen kann und eine kontinuierliche Oberprüfung der Zusammensetzung der Flüssigkeit ingang gehalten werden kann. Natürlich müßte zuerst eine Bezugsablesung vorgenommen werden, was vorzugsweise dadurch geschieht, daß die Kammer 123 mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt wird, welche den Rest des Flüssigkeitskörpers 160 ausmacht. Die schallerzeugende Vorrichtung 150 wird kurz zur Messung der Schallübertragungseigenschaften der homogenen Flüssigkeit 160 erregt, worauf der Anzeiger 192 so eingestellt werden könnte, daß die erforderliche Bezugsablesung erhalten wird.

Für das Arbeiten mit dem Gerät 100 für eine solche Oberwachung wird ein Ventil im System eingeschaltet, so daß die Testflüssigkeit durch dieKammer 123 fließt und dabei den ursprünglichen flüssigen Teil ersetzt. Das Ventil 8O wird verstellt, um die Entlüftung 147 zu öffnen und die Vorrichtung 150 wird dann erregt, worauf Ultraschallwellen nach oben durch den Behälter 102 wandern und durch die Linse 108 auf den Bereich 165 fokussiert werden.

Diese Konzentration von Ultraschallenergie führt zur Bildung der Säule 168 innerhalb des Rohres und die Höhe dieser Säule wird durch die Meßeinrichtung 180 gemessen. Die Schallimpedanz-Fehlanpassung zwischen der Testflüssigkeit und der übrigen Flüssigkeit im Behälter führt zu einer erhöhten oder verringerten Ablesung am Anzeiger 92. Wenn angenommen

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eine unerwünschte Zunähme von Fremdkörpearteilchen in der Testflüsslgkeit festgestellt wird, nimmt die Dämpfung eier TJltraschallenergle durch die kombinierten Flüssigkeiten proportional zu, was auf dem Anzeiger aufgezeichnet wird. Es kann sodann eine geeignete Einwirkung zur entsprechenden Einstellung des Systems vorgenommen werden.

In der schematischen Barstellung der Fig. 5 bezeichnet 2OO allgemein ein typisches System zur Herstellung eines Gemisches von Chemikalien, in welchem System das Schallmeßgerät 1Ό0 vorteilhaft verwendet werden kann.

Das System 200 besitzt einen Mischtank 2Ol, in welchem zwei Bestandteile des Gemisches durch gesonderte Zufuhrleitungen 202 und 203 abgelagert werden. Ein weiterer Mischtank 2O5 nimmt eine Zufuhr von zwei verschiedenen Bestandteilen aus zwei Zufuhrleitungen 206 und 207 auf. In dem System ist ein Speichertank 210 zur Aufnahme der gemischten Bestandteile von den beiden anderen Tanks vorgesehen. Für diesen Zweck sind die Mischtanks mit Austrittsleitungen 211 und 212 versehen, welche durch ein Magnetventil 214 verbunden sind, und eine Zufuhrleitung 215 führt von diesem Ventil in den Speichertank 210.

Der Zufuhrtank 201 ist mit überführungsleitungen 218 und 219 versehen, die sich zur Kammer 140 innerhalb des Behälters 102 erstrecken. Zur Verbindung dieser überführungsleitungen mit dem Behälter werden die Kappen 143 (Fig. 3) entfernt und die Leitungen direkt mit den Anschlußstücken 142 durch nicht gezeigte Kupplungsmuttern gekuppelt. In der Rohrleitung 219 befindet sich eine Pumpe 220 und ein Temperaturregler 221. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Probe der beiden Bestandteile, die innerhalb des Tanks gemischt werden, durch die Testkammer 140 des Geräts in Umlauf gesetzt werden.

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Der zweite Tank 205 ist durch Überführungsleitungen 224 und 225 mit der Kammer 123 verbunden, wobei die Kupplungsinuttern 128 die Leitungen mit den Anschlußstücken 125 verbinden. In der Leitung 225 ist eine Pumpe 226 und ein Temperaturregler 227 vorgesehen, so daß eine Probe der beiden innerhalb der Testkammer 123 gemischten Bestandteile auf eine geeignete Temperatur gebracht wird und kontinuierlich durch das Gerät in Umlauf gesetzt werden kann.

Die vorangehend beschriebene Meßeinrichtung 18O des Gerätes 100 ist durch Leitungen 230 und 231 mit dem Magnetventil 214 verbunden. Die Anordnung ist derart, daß ein Ventil öffnet, wenn eine bestimmte Messung im Meßgerät 192 registriert wird.

Das Gerät 2OO dient zur überwachung der beiden Partien gemischter Bestandteile. Wenn beispielsweise eine Dichteveränderung in einer oder in beiden Partien stattfinden, werden die Ultraschallwellen in höherem oder geringerem Maße gedämpft oder reflektiert, was auf dem Anzeiger 92 registriert wird. Wenn die Ablesung innerhalb eines bestimmten Bereiches liegt, öffnet das Ventil 24 und der Inhalt der beiden Mischtanks wird in den Speichertank entleert. Vorzugsweise wird der Verstärker 189 so eingestellt, daß zu Beginn einer chemischen Reaktion eine Mindestablesung auf dem Anzeiger 192 erhalten wird. Die endgültigen Reaktionsteilnehmer in den Testflüssigkeiten ergeben eine Verringerung der Dämpfung, worauf der Anzeiger eine maximale Ablesung anzeigt und eine Spannung in der der Meßeinrichtung zugeordneten Schaltung ausreichen würde, das Magnetventil 214 auszulösen, und der Speichertank 21O würde den Inhalt der beiden Mischtanks aufnehmen. Zwischen der niedrigsten und der höchsten Ablesung kann der Anzeiger markiert werden, um als Prozentsatz den Grad zu zeigen, bis zu welchem die chemische Reaktion in dem System vervoll-

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ständigt worden ist, statt mit einer Einteilung versehen zu werden, um die Schallpegelintensität zu zeigen.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß durch die Erfindung ein ausserordentlich einfaches und daher billiges Gerät zur Schallmessung geschaffen wurde. Die Vorrichtung erfordert keine übermässig sorgfältige Handhabung und kann auch durch andere als durch hochspezialisierte Personen gehandhabt werden. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die sich zur Anwendung auf Prozeßregelungen eignen, sind sehr vielseitig und können zur Messung der Bestandteile in einer Flüssigkeit, bei denen es sich nicht um Feststoff- . teilchen handelt, verwendet werden. Dies ist möglich, da die Schallübertragung durch eine Flüssigkeit durch die Konzentration der Bestandteile in der Lösung geschieht. Temperatur beeinflußt ebenfalls die Schallübertragung, so daß die Temperatur der Flüssigkeit geregelt werden muß, wenn Messungen vorgenommen werden. Die Erfindung kann daher einen wesentlichen Teil einer Anzahl von Chemikalienproduktions- als auch anderen Systemen betreffen, um eine kontinuierliche Analyse und automatische Regelung zu erhalten .

Ende der Beschreibung.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Gerät zur Messung der Schallintensität, gekennzeichnet durch

   einen Behälter (14, 102) mit einer Umfangswand (22, 103) und einem Bodenverschluß (24, 105), der für Schallenergie durchlässig ist,

   einen Flüssigkeitskörper (50, 160) innerhalb des Behälters, der teilweise von dem Bodenverschluß getragen wird und eine Oberseite (51, 161) aufweist, die zwischen der Höhe der Umfangswand angeordnet ist, ein Rohr (65, 148) innerhalb des Behälters oberhalb des Flüssigkeitskörpers mit einem offenen unteren Ende, das in der Nähe der Oberseite (51, 161) angeordnet ist, eine Halterung als Träger für einen schallerzeugenden Wandler (38, 152) unterhalb des Bodenverschlusses und in Schwingungskontakt mit diesem derart, daß durch den Wandler erzeugte Schwingungen nach oben durch den Flüssigkeitskörper als Schallwellen wandern, eine Fokussiereinrichtung (54, 108) zum Konzentrieren der Schallwellen zu einem Fokalbereich (60, 165), der in einem bestimmten Abstand unterhalb der erwähnten Oberseite (51, 161) angeordnet ist, "um eine Säule (62, 168) der Flüssigkeit nach oben in das Rohr (65, 148) bis zu einer Höhe zu richten, die zur Leistung des Wandlers

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   proportional ist, und

   eine Meßeinrichtung (75, 180) zur Anzeige der Höhe

   der Flüssigkeitssäule innerhalb des Rohres.

   2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stange (72, 182), die konzentrisch innerhalb des Rohres getragen wird und mit diesem zusammenwirkt, um die Flüssigkeitssäule zusätzlich abzustützen.

   Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter eine Entlüftungsöffnung (69, 147) besitzt, die normalerweise die Bohrung des Rohres (65, 148) mit der Aussenluft verbindet, und ein Ventil (80) auf dem Behälter, das betätigt werden kann, um die Entlüftungsöffnung zu schließen und die Bohrung gegen die Aussenluft abzudichten.

   4. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Zwischenbehälter (130,) der innerhalb des Behälters so getragen wird, daß er den Fokalbereich (165) umschließt, welcher Zwischenbehälter einen säulenbildenden Teil
   des Flüssigkeitskörpers enthält.

   5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine elektrische Schaltung (181) aufweist, die mit einer Stromquelle (187) verbunden ist
   und €;inen Meßanzeiger (192) enthält, eine Leiterstange (182), die konzentrisch innerhalb des Rohres getragen wird, einen Kontakt (185) im Zwischenbehälter, welcher

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   säulenbildende Teil des Flüssigkeitskörpers ein Leiter ist, der den Kontakt mit der Leiterstange verbinden kann, wenn die Flüssigkeitssäule in das Rohr nach oben gerichtet wird, und einen Verstärker (189), welche die elektrische Schaltung mit dem Meßanzeiger (192) verbindet, wodurch der letztere erregt wird, um eine Ablesung zu geben, die die Höhe der Säule anzeigt.

   6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter Querelemente aufweist, die für Schallenergie durchlässig sind und so angeordnet sind, daß ein Teil des Flüssigkeitskörpers ausgeschlossen wird, und eine Testkammer (123) unterhalb des Fokalbereiches (165) bilden, und Leitungen (127), die mit dem Behälter für die Zufuhr einer Testflüssigkeit zur Testkammer verbunden sind.

   7. Gerät zur Messung der Schallintensität, gekennzeichnet durch

   einen Behälter mit einer Umfangswand und einem flexiblen Bodenverschluß,

   ein erstes und ein zweites Element, die für Schallenergie durchlässig sind und sich quer zum Behälter erstrecken, um eine Testkammer in diesem zu bilden, und eine Leitung für das Fließen einer Testflüssigkeit durch die Testkammer,

   einen Flüssigkeitskörper, der den übrigen Behälter oberhalb des flexiblen Bodenverschlusses teilweise füllt und eine Oberseite zwischen der Höhe der Umfangswand hat,

   einen Zwischenbehälter (130) innerhalb des Behälters mit einem Bodenelement (131), das für Schallenergie durch-

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   lässig ist und sich in Schwingungskontakt mit der erwähnten Oberseite befindet, und eine innerhalb des Zwischenbehälters enthaltene gesonderte Flüssigkeit, ein Rohr (148), das innerhalb des Behälters oberhalb des Zwischenbehälters (130) getragen wird und ein offenes Ende in der Nähe der gesonderten Flüssigkeit hat,

   einen Schallgenerator (150) mit Mitteln zur Betätigung desselben zur Erzeugung von Ultraschallwellen von einer bekannten Intensität,

   eine Halterung als Träger des Schallgenerators unterhalb des flexiblen Bodenverschlusses (26) und in Schwingungs kontakt mit diesem, damit die Ultraschallwellen nach oben durch den Flüssigkeitskorper und die Testflüssigkeit wandern,

   eine Fokussiereinrichtung zum Konzentrieren der Schall welle in einem Fokalbereich, der in der gesonderten Flüssigkeit eingetaucht ist, um eine Säule dieser Flüssigkeit nach oben in das Rohr zu richten, und eine Meßeinrichtung zur Anzeige der Höhe der nach oben gerichteten Säule.

   Verfahren zum Messen der Schallintensität, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitskorper verwendet wird, durch den Schallwellen nach oben zum Wandern gebracht werden,

   die Schallwellen an einem Punkt maximaler Kraft konzentriert werden, der sich unterhalb und in großer Nähe zur Oberfläche des Flüssigkeitskörpers befindet, um eine Säule der Flüssigkeit über die erwähnte Oberfläche hinaus zu richten,
   die nach oben gerichtete Flüssigkeitssäule seitlich ge-

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   gen seitliches Zusammenstürzen begrenzt wird, und die Höhe der nach oben gerichteten Flüssigkeitssäule an einer Skala gemessen wird, die so geeicht ist, daß eine Anzeige der Intensität der Schallwellen erhalten wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Testflüssigkeit quer durch den Flüssigkeitskörper zum Fließen gebracht wird, um durch die erhaltenen Messungen eine Anzeige über die Zusammensetzung der Testflüssigkeit zu erhalten.

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Testflüssigkeit quer durch den Körper enthaltener Flüssigkeit in vertikalem Abstand zur ersterwähnten Testflüssigkeit zum Fließen gebracht wird, um die Messung der Höhe der Säule zu beeinflussen und dadurch eine brauchbare Information zu liefern, die auf einem Vergleich zwischen den Zusammensetzungen der ersten und der zweiten Testflüssigkeit beruht.

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