DE3632591A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung oder ueberwachung einer physikalischen eigenschaft eines fluessigen gegenstandes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Messung oder Überwachung der Dichte oder rheologischer Eigen­ schaften (insbesondere Viskosität, Elastizität oder Plastizität) von Flüssigkeiten, Schlämmen, Dispersionen oder Emulsionen in jeder besonderen Fläche oder Be­ reich einer solchen Flüssigkeit oder eines solchen Schlammes einfach durch die Verwendung eines fest­ stehenden oder beweglichen Fühlers oder anderen Detektorelementes. Insbesondere, jedoch nicht aus­ schließlich, befaßt sich die Erfindung mit der über­ wachung oder Messung von Dichten von Schlämmen, die allgemein bei der Extraktion oder anderen Behandlungen von fein unterteilten abgebauten Erzen während ihrer Behandlung zu Wiedergewinnung von darin enthaltenen wertvollen Elementen gebildet werden. Die Erfindung befaßt sich auch mit der Messung eines Verhältnisses zwischen der Menge von zwei Komponenten in einer Emulsion, vorausgesetzt die rheologischen Eigenschaften einer jeden Komponente sind ausreichend unterschiedlich, um ein sinnvolles, vom Verhältnis abhängiges Signal er­ halten zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Ver­ fahren zu schaffen, welches einfach durchführbar ist sowie insbesondere auch eine Vorrichtung herzustellen, die eine zweckmäßige Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung betreffen die Aus­ bildung des Ultraschallwandlers als piezoelektrischer keramischer Wandler (PZT); den Antrieb des Ultraschall­ wandlers bei einer vorbestimmten Frequenz, wobei in diesem Fall die Impedanz des Wandlers überwacht und ermittelt wird; schließlich den Temperaturausgleich für die ermittelten Werte und den Umstand, die ermittelten Werte in Beziehung zu empirisch bestimm­ ten Angaben für die besondere betrachtete Flüssigkeit oder Schlamm zu setzen.

Es kann nicht vollständig erklärt werden, wie die Antriebsimpedanz (driving impedance) bzw. Steuerimpedanz eines Ultraschalltransmitters durch die Dichte oder rheologische Eigenschaften, insbesondere Dichte eines Schlammes oder Flüssigkeit beeinflußt wird, jedoch zeigen durchgeführte Versuche, daß jeder unter­ schiedliche Schlamm oder Flüssigkeit sich unterschiedlich verhalten und unterschiedliche Änderungen in der An­ triebsimpedanz eines jeden Ultraschallwandlers bewirken. Folglich ist es erforderlich, jeden be­ sonderen Ultraschallwandler zwecks Verwendung in einer besonderen Art eines flüssigen Gegenstandes bzw. Körpers zu eichen.

Die Erfindung ist insbesondere von Bedeutung für die Überwachung oder Ermittlung von Schlämmen, die in der Bergbauindustrie anfallen, wobei zumindest in dieser Hinsicht die überwiegende Mehrzahl von Untersuchungen bis heute stattgefunden hat. Bei derartigen Schlämmen wurde mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Ultraschallwandlers in Form eines piezoelektrischen keramischen Wandlers ein Testfühler (test probe) bei Frequenzen getestet, die sich von 0,2 MHz bis 3 MHz belaufen und es wurde ein Abfall in der Empfindlich­ keit festgestellt, wenn die Frequenz erhöht wird. Die optimale Frequenz hängt vom Anwendungsfall ab. Die Versuche mit Schlamm sind auf eine Teilchengröße im Bereich von 10 µm bis 300 µm begrenzt worden. Allerdings besagt dies nicht, daß das Prinzip der Erfindung nicht auch zufriedenstellend außerhalb dieses Bereiches anwendbar ist.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, welche ein Detektor­ element in Form eines Ultraschallwandlers umfaßt, der eingekapselt und auf einem geeigneten Träger hierfür aufgenommen ist, sowie eine Antriebs- und Detektorschaltung für den Anschluß an den Wandler umfaßt, um diesen anzutreiben und die Antriebsim­ pedanz oder eine entsprechende Variable einer solchen Antriebsimpedanz zu ermitteln.

Weitere Merkmale in dieser Hinsicht betreffen die Anordnung des Detektorelementes an einem Ende eines langgestreckten Fühlers, die Ausbildung der Antriebs­ schaltung als Brückenschaltung, in der eine Ausgangs­ spannung des Wandlers ermittelt und in Beziehung mit der Dichte oder einer rheologischen Eigenschaft einer Flüssigkeit oder eines Schlamms gesetzt wird, die Eingabe der ermittelten Antriebsspannungen in einen Computer mit empirisch erhaltener Information über den relevanten Schlamm oder die Flüssigkeit, um Dichtemessungen auszuführen; und für den Einbau bzw. die Eingliederung von einer Temperaturfühl­ einrichtung in das Detektorelement, welche mit einem Kompensator zwecks Ausgleich von Temperaturveränderungen der Flüssigkeit oder des Schlamms verbunden ist.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensors, der am Ende eines Fühlers montiert wird,

Fig. 2 das Arbeitsende bzw. den Arbeitskopf eines Fühlers, der den Sensoraufbau nach Fig. 1 beinhaltet,

Fig. 3 ein Blockdiagramm des Antriebs- und Meß­ systems,

Fig. 4 ein Schaltdiagramm der aktiven Brücke bzw. Wirkbrücke,

Fig. 5 ein äquivalenter Schaltkreis eines piezo­ elektrischen Wandlers,

Fig. 6 ein Diagramm einer tatsächlichen Dichte gegen die ermittelte Dichte für ein Testsystem nach Korrektur von Temperatur­ schwankungen,

Fig. 7 ein Diagramm einer gemessenen Lösungsmittel­ konzentration gegen die tatsächliche Lösungsmittelkonzentration sowie

Fig. 8 erzeugte Impedanzkurven zur Bestimmung der Betriebsfrequenz eines besonderen piezo­ elektrischen Wandlers (PZT).

Ein piezoelektrischer Wandler kann durch einen einfachen äquivalenten Schaltkreis wie der in Fig. 5 dargestellte charakterisiert werden. Die Komponenten in einem Längs­ zweig bzw. Serienarm 41 geben die gedachten bzw. imaginären piezoelektrischen Eigenschaften des keramischen Wandlers wieder, das Bauteil L stellt die Resonanz­ masse des Keramikteiles dar und C den elastischen Teil (elastic compliance). Die Komponente R gibt die mechanischen Verluste wieder. C₀ ist die Kapazität zwischen den Elektroden auf der Oberfläche des Keramikkörpers und R₀ ist ein Widerstand, der die dielektrischen Verluste des Wandlers darstellt. R ₁ ist die akustische Belastung, die mit Änderungen in dem umgebenden Medium variiert; es ist dies der Parameter, der sich bei den Änderungen im interessierenden Medium ergibt.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist die allgemein mit 1 bezeichnete Detektoreinheit zu Ge­ brauchszwecken in einem robusten Gehäuse 2 unterge­ bracht, welches auf einer galvanisierten Rohran­ ordnung 3 aus Eisen mit einem Fenster 4 aufgenommen ist, welches einen Zugriff zur Detektoreinheit durch die Wand des kräftigen Gehäuses ermöglicht.

Die Detektoreinheit 6 weist gemäß Fig. 1 einen elektronischen 4-Stift/ Anschluß 5 auf, der an einem Ende eine 20 mm starke piezoelektrische keramische Wandlerscheibe 6 trägt (in diesem Fall einen Blei- Zirkonit-Titanat-Wandler), welche in einem geeigneten Epoxiharz 7 eingekapselt ist. Hierbei soll die Dicke eines solchen Harzes zur Einkapselung nicht zu groß sein, da dies ansonsten die Empfindlich­ keit des Wandlers gegenüber Dichteänderungen nach­ teilig beeinflußt.

Die Art der Einkapselung bzw. Einbettung ist abhängig vom Anwendungsfall, da die Einkapselung ihre Eigen­ schaften in jeder verwendeten Umgebung aufrechter­ halten muß.

Das Verfahren, um die korrekte Dicke der Einkapselung zu erhalten, besteht darin, den Wandler auf gleiche Dicke auf jeder Seite einzuhüllen und dann Schichten des Materials soweit zu entfernen, bis die größte Empfindlichkeit zu Änderungen im Medium erzielt wird.

Gleichfalls im Epoxiharz ist ein temperaturempfind­ licher Wandler 8 zur Ermöglichung eines Temperatur­ ausgleichs eingekapselt, wie im folgenden noch be­ schrieben wird.

Eine Antriebsschaltung für die Detektoreinheit wird über eine stabile Frequenzquelle 9 gesteuert, deren Ausgang über eine Antriebsschaltung 10 zur Meß- und Ausgangsschaltung geführt wird, welche im Block­ diagramm in Fig. 3 dargestellt ist und einen Ausgangsstrom (oder Spannung) V₀ erzeugt. Der gesamte Schaltkreis bzw. Schaltung umfaßt somit einen Fre­ quenzgenerator 9, der eine stabilisierte Ausgangs­ frequenz mit einem bestimmten Wert erzeugt und einen Antrieb 10 speist und somit eine wirksame Brückenschaltung 11, an die der Wandler 6 ange­ schlossen ist. Der Ausgang aus der Brückenschaltung wird zu einem Gleichrichter 12, und zwar von dort zu einem Nullstellungsschaltkreis 13, einem Tief­ paßfilter und schließlich zu einem Wandler 15 ge­ führt.

Wo es erforderlich ist, wird der Ausgang einem Temperaturausgleich unterzogen, und zwar durch einen kompatiblen handelsüblichen Temperatur­ wandler 16 bzw. Konverter, der mit dem temperatur­ abhängigen Wandler 8 verbunden ist. Die Ausgänge sowohl vom Konverter 15 und vom Temperaturkonver­ ter 16 werden zu einem Computer 18 geführt.

Das Verfahren zur Eichung des Instrumentes ist dasselbe, ob es nun für Messung der Dichte von beim Bergbau anfallenden Schlamm oder für Messungen des Emulsionverhältnisses verwendet wird, wobei diese Eichung wie folgt durchgeführt wurde:

Der Fühler wurde in den interessierenden flüssigen Teil eingetaucht, der eine bekannte Dichte oder Verhältnis aufweist; das Medium wurde dann auf den Temperaturbereich erhitzt, in dem das Instrument arbeiten sollte. Die Werte von V₀ und V _t wurden während des Heizens aufgezeichnet und dieses Ver­ fahren wurde wiederholt unter Verwendung von Schlämmen mit verschiedenen Dichten oder Emulsionen mit verschiedenen Verhältnissen.

Eine nicht lineare Regression wurde auf die resultierenden Daten angewendet und eine Formel abgeleitet bezüglich der Dichte oder dem Emulsions­ verhältnis (emulsion ratio) zu den zwei Variablen V und V _T . Die entstehende Formel war dergestalt:

F = a₂V₀ + a₃V _T + a₄V₀V _T + a₅V _T ²

wobei
Fdie Dichte oder Verhältnis; V₀die Ausgangsspannung proportional zur Antriebsimpedanz; V _T die zur Temperatur proportionale Ausgangsspannung und a _n geeignete Koeffizienten sind.

Die nach der Eichung erhaltenen Ergebnisse sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wo die Prüfung des Instrumentes bei einer Anzahl von Schlämmen mit ver­ schiedenen Dichten und Temperaturen (Fig. 6) und Emulsionen mit verschiedenen Verhältnissen und Temperaturen (Fig. 7) durchgeführt wurde. Der Fühler wurde in das Medium getaucht und die resultierenden Werte von V₀ und V _T wurden in die oben genannte Formel eingesetzt und entweder die Dichte oder das Verhältnis errechnet.

Der Ausgangsfrequenzbereich der Schaltung war von 500 kHz bis 590 kHz in 10 kHz-Schritten.

Fig. 8 zeigt Impedanzkurven, die zur Bestimmung der Betriebsfrequenz für den piezoelektrischen Wandler (PZT) erzeugt wurden. Die beiden Diagramme der Impedanz gegenüber der Frequenz des Antriebs stehen für zwei Schlämme, nämlich einem mit 1,8 g/cm und einem von 1,1 g/cm , wobei diese Dichtewerte Extreme des interessierenden Bereiches darstellen.

Der Fühler wurde in leichten Schlamm eingetaucht und die Impedanz wurde bei 300 Frequenzen im Bereich von 0,4 MHz bis 0,7 MHz gemessen und zwar unter Ver­ wendung eines Impedanzanalysators (es könnten auch ein Signalgenerator und RMS-Voltmeter verwendet werden). Diese Impedanzwerte wurden aufgezeichnet und dies ergab die mit 1,1 g/cc bezeichnete Kurve. Dieses Verfahren wurde unter Verwendung von schwere­ rem Schlamm wiederholt und die dabei entstehende Kurve ist unter der Bezeichnung 1,8 g/cc dargestellt.

Es ergab sich ein Bereich von Frequenzen, bei dem ein angemessener Unterschied in der Impedanz auftrat. Die Betriebsfrequenz wurde so gewählt, daß sie in diesen Bereich an einen Punkt so nah als möglich zu dem der maximalen Impedanzänderung fällt.

Zwecks Beschreibung der Schaltung wird angenommen, daß das Gerät bzw. Instrument zur Messung einer Dichte von Schlamm im Bereich von 1,1 bis 1,8 g/cm verwendet wird.

Die wirksame Brücke (siehe Fig. 9) wurde so eingestellt, daß sie die größte Spannungsänderung am Ausgang ergibt, wenn der Fühler in Schlämme an jedem Extrem des interessierenden Bereiches einge­ taucht wurde.

Nachdem dies erfolgte, wurde der Fühler in den Schlamm mit der geringsten Dichte eingetaucht: Eine Gleichstromspannung war am Ausgang des Gleichrichters vorhanden und diese Spannung wurde auf den Nullstellschaltkreis aufgegeben und dieser Schaltkreis wurde so eingestellt, daß er einen Ausgangsstrom von 4 mA vom Konverter ergibt.

Der Fühler wurde dann in einen Schlamm mit höchster Dichte eingetaucht und so eingestellt, daß ein Ausgangsstrom vom Konverter von 20 mA abgegeben wird.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung und mit der erforderlichen Eichung und empirischen Beziehungen zwischen dem letzten Spannnungsausgangen vergleicht ein Computersystem in einfacher Weise die programmierte Information wie Spannung und Dichte mit dem augenblicklichen Spannungssignal, um einen Dichtemeßwert zu erzeugen. Fig. 6 und 7 zeigen die Leistungsdiagramme des Instrumentes bzw. Gerätes in Schlamm (Fig. 6) und Emulsion (Fig. 7).

Es wird mithin ein außerordentlich nützliches Steuer­ instrument verwirklicht, mit dem die Dichte an speziellen Punkten in einem Behälter od. dgl. gemessen und auf diese Weise zur Prüfung von Mischungsverhältnissen sowie für die einfache Kontrolle von Dichten von Schlämmen verwendet werden kann, beispielsweise bei sogenannten "carbon-in-pulp" Gold­ extraktionsverfahren.

Selbstverständlich muß für jedes System, für das die Erfindung angewendet werden soll, ein Satz von Daten am Anfang erstellt bzw. erhalten werden, um den Ver­ gleich der erhaltenen Ausgangsspannung und deren Be­ ziehung zur Dichte zu ermöglichen.

Dabei können insbesondere auch andere Variablen abhängig von der Impedanz eines Ultraschallwandlers verwendet werden. Insbesondere ist die beschriebene Vorrichtung bzw. das Verfahren besonders zur Prozeß­ steuerung geeignet.

Claims (15)

1. Verfahren zur Ermittlung oder Überwachung einer variablen physikalischen Eigenschaft, insbesondere dichte oder eine rheologische Eigenschaft eines flüssigen Gegenstandes, ausgewählt aus homogenem flüssigen Gegenständen und heterogenen flüssigen Gegenständen, wie etwa Schlämmen und Emulsionen, oder zur Ermittlung von Abweichungen von einem be­ nötigten Wert oder Sollwert einer solchen physikalischen Eigenschaft, gekennzeichnet durch Überwachung oder Ermittlung der Antriebsimpedanz oder einer hierzu in Beziehung stehenden Variablen eines an einer benötigten Position in solch einem flüssigen Gegenstand angeordneten Ultraschall­ wandlers und Inbeziehungsetzen des Wertes einer solchen Antriebsimpedanz oder damit verknüpften Variablen zu einem benötigten Wert bzw. Sollwert hiervon oder der physikalischen Eigenschaft selbst oder zu einer Abweichung von einem derartigen Sollwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler ein piezoelektrischer keramischer Wandler ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler bei einer vorbestimmten Frequenz angetrieben und die Impedanz des Wandlers überwacht oder ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Werte hinsichtlich Temperatur­ veränderungen des flüssigen Gegenstandes kompensiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Werte mit empirisch bestimmten Werten oder Daten desselben Typs eines flüssigen Gegenstandes in Beziehung gesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Gegenstand ein Schlamm ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperteilchen einen Größenbereich von 10 µm bis 300 µm aufweisen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Eigenschaft, die überwacht oder ermittelt wird, die Dichte des flüssigen Gegenstandes ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Betriebes des Ultraschall­ wandlers zwischen 0,2 MHz und 3 MHz liegt.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Detektor in Form eines Ultraschallwandlers, welcher in einem ge­ eigneten Material eingekapselt und auf einem Halter hierfür aufgenommen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Antriebs- und Ermittlungsschaltkreis für den Anschluß an den Wandler zu dessen Antrieb und zur Ermittlung der Antriebsimpedanz oder einer mit dieser Antriebsimpedanz verknüpften Variablen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsschaltkreis eine aktive Brücken­ schaltung ist, in der eine Ausgangsspannung vom Wandler ermittelt wird, um diese in Beziehung zur relevanten physikalischer Eigenschaft eines flüssigen Gegenstands zu setzen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Computer zur Aufnahme eines Ausgangs der Ermittlerschaltung und für den Vergleich dieses Ausgangs mit empirisch abgeleiteten Werten aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorglied an einem Ende eines lang­ gestreckten Fühlers getragen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturfühleinrichtung im Detektor­ glied vorgesehen und die Vorrichtung derart ausge­ bildet ist, daß Temperaturveränderungen eines flüssigen Gegenstandes kompensiert werden.