DE3633739C2

DE3633739C2 - Verfahren zur Analyse des Luftgehaltes einer Flüssigkeit oder Suspension

Info

Publication number: DE3633739C2
Application number: DE3633739A
Authority: DE
Inventors: Matti Karras; Arto Kemppainen; Eino Haerkoenen; Jouni Tornberg
Original assignee: Savcor Consulting Oy
Current assignee: SAVCOR-CONSULTING OY, MIKKELI, FI
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2006-10-04
Also published as: SE8604209L; FI82776B; FI851380A0; SE455888B; DE3633739A1; FI82776C; US4911013A; FI851380L; SE8604209D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse des Luftgehalts einer Flüssigkeit oder Suspension wie beispiels weise eines Stoffbreis bzw. einer Papiermassensuspension. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Aus der US 4 412 451 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der mittleren Partikelgröße von in einem Meßgefäß enthaltenen Partikeln bekannt.

Ein Gerät, das sich auf die Detektion von Partikeln als solche beschränkt, ist aus der US 4 542 644 bekannt.

Auch ein aus der US 2 966 056 bekanntes Ultraschalltestgerät beschränkt sich auf die Feststellung bestimmter Partikel als solcher.

Die JP-US 56-29 159 zeigt ein Meßgerät, mit dem schließlich die Konzentration einer Ultraschallschwingung gemessen werden kann.

Aus der DE-US 2 732 622 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung des Fließzustandes einer fließfähigen Substanz bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen der Luftgehalt einer Flüssigkeit oder Suspension wie beispielsweise eines Papiermassenbreis auf direkte Weise an einer ununterbrochenen Strömung ermittelt werden kann, und zwar ohne und/oder mit Probenentnahme.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen und im Hinblick auf die Vorrichtung durch die im Patentanspruch 3 angegebenen Merkmale auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung bei dem Verfahren bzw. der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Meßanordnung für das Verfahren bzw. die Vorrichtung der Erfindung.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung von Versuchsergebnissen hinsichtlich des Verhältnisses zwischen der Streuung und der Dämpfung von Ultraschallwellen.

Fig. 4 und 5 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel der er findungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einer Aufbereitungsleitung in Seitenansicht bzw. Draufsicht.

Bei einem bekannten Verfahren beruht die Analyse auf der Ermittlung der Dämpfung von Ultraschallwellen, welche als Funktion ihrer Weglänge exponentiell gedämpft werden, gemäß folgender Gleichung:

I_att = I_o e^-ax (I)

wobei I_att die gemessene Intensität der gedämpften Schallwel len ist, I_o die Intensität an dem Entstehungspunkt ist, a eine Dämpfungskonstante ist, die für eine jeweilige Substanz charakteristisch ist, und x die Weglänge bis zu dem Meßpunkt ist, nämlich die Strecke, über welche sich die Ultraschall wellen in der Flüssigkeit fortpflanzen. Bei dem Auftrag auf halblogarithmische Koordinaten ist die Dämpfung linear.

Die Erfindung beruht auf der Messung der Intensität gedämpfter Ultraschallwellen und der Intensität gestreuter Schall wellen. Die Dämpfung der gestreuten Ultraschallwellen kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

I_sc = I′_o e^-(b- ^β ^)x (II)

wobei I_sc die gemessene Streuintensität ist, I′_o die Intensi tät der in dem Meßraum in Richtung zu dem Ultraschallwellen- Aufnehmer gestreuten Ultraschallwellen ist, β eine Konstante ist, die den Beitrag der Streuung zur Dämpfung der Ultra schallwellen einschließlich einer Mehrfachstreuung darstellt, und b eine mittlere Dämpfungskonstante für die auf einen Streuwellen-Aufnehmer aus unterschiedlichen Richtungen tref fenden Streuwellen ist. Das Verhältnis der Durchlaßdämpfung und der Streuungsdämpfung ist

wobei a-b+β=Δ eingesetzt wird.

Die Steigung Δ bei der linearen grafischen Darstellung des Logarithmus des Verhältnisses zwischen der Durchgangsdämpfung und der Streuung zeigt die Auswirkung des Luftgehalts in der Flüssigkeit bzw. Suspension als Funktion der Wegstrecke x. Aus der Gleichung (III) ergibt sich:

wobei δ₁ der Luftgehalt ist und Δ eine Eichkonstante ist, die mit der gewählten Geometrie wie beispielsweise der Anordnung von Abnehmern bzw. Wandlern zusammenhängt.

Bei ausgeführten Versuchen wurde ermittelt, daß für den Loga rithmus des Verhältnisses zwischen der Durchlaßdämpfung und der Streuung gemäß der Gleichung

ein linearer Zusammenhang zu dem Luftgehalt in einer großen Vielzahl von Flüssigkeiten und Suspensionen besteht. Das heißt, die Steigung Δ der linearen grafischen Darstellung bzw. Kurve ist eine Konstante, die für eine jeweilige Kombination aus dem Material und den geometrischen Abmessungen spezifisch ist. Wenn log (I_att/I_sc) ermittelt wird, wird der Luftgehalt δ₁ durch das Teilen des Ermittlungsergebnisses durch die Konstante Δ festgestellt. Wenn δ₁ "0" ist, wird für log (I_att/I_sc) ein konstanter Wert ermittelt, und zwar unab hängig von irgendwelchen anderen Eigenschaften der Flüssig keit oder Suspension, nämlich von der Teilchengröße, der Temperatur, der Viskosität usw. Es muß jedoch immer log (I_att/I_sc) δ₁(0) vor dem Teilen durch Δ von dem Wert log (I_att/I_sc) δ₁ abgezogen werden.

Bei konstanten Bedingungen, im wesentlichen konstanter Konsi stenz und im wesentlichen konstanter Teilchengröße und/oder Teilchenverteilung gilt:

log I_att = Δδ₁+a (VI)

wobei a=log I_sc ist, nämlich konstant ist.

In diesem Fall ist es überhaupt nicht erforderlich, die Streuintensität zu ermitteln.

Unter luftfreien Bedingungen gilt

oder

Bei der Meßanordnung nach Fig. 1 wird ein Ultraschallsender 1 zur Abgabe von Ultraschallwellen bzw. -strahlen R₃ in eine Stoffsuspension A über einen Wandler 8 verwendet. Die Dämpfung der Ultraschallwellen, nämlich gedämpfte Ultraschallwel len R₂ werden über einen Wandler 9 mit einem Empfänger 2 gemessen. Die Dämpfung der Ultraschallwellen entspricht der Gleichung (I).

Die Fig. 1 zeigt ferner einen Empfänger für gestreute Ultraschallwellen, nämlich einen Wandler 3, mit dem die Intensität I_SC von gedämpften gestreuten Ultraschallwellen R₁ gemessen wird. Die Dämpfung der gestreuten Ultraschallwellen entspricht der Gleichung (II). Der Wandler 3 für die Aufnahme der gestreuten Ultraschallwellen ist in Abstand von dem geradlinigen Weg der Ultraschallwellen zwischen dem Sender 1, nämlich dem Wandler 8 und dem Empfänger 2, nämlich dem Wandler 9 angeordnet.

In der Fig. 1 ist ferner eine Recheneinheit 4 gezeigt, der die Signale aus dem Ultraschallwellenempfänger und aus dem Streuwellenwandler bzw. -empfänger 3 zugeführt werden. Die Recheneinheit ist zum Berechnen des Verhältnisses I_att/I_SC nach Gleichung (III) und (IV) und/oder des Logarithmus dieses Verhältnisses ausgebildet.

Nach Fig. 1 sind die Abstände des Sende-Wandlers 8 und der Empfangs-Wandler 3 und 9 von der Mitte der zu messenden Stoffsuspension A im wesentlichen gleich (=x). Falls es erwünscht ist, können diese Strecken auf optimale Weise so gewählt werden, daß den Eigenschaften der zu untersuchenden Substanz und den Meßbedingungen Rechnung getragen ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Meßanordnung sind der Ultraschallsender 1, der Empfänger 2 und der Streuwellen-Empfänger 3 zu einer einzigen Einheit 10 zusammengefaßt, während der Sende-Wandler 8 und der Empfangs-Wandler 9 durch einen einzigen Wandler 5 gebildet sind. Ferner weist die Meßanordnung einen Ultraschallreflektor 6 auf, der so angeordnet ist, daß er die von dem Sende/Empfangs-Wandler 5 abgegebenen Ultraschallwellen zu diesem Wandler zurück reflektiert.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung weist ferner den Wandler 3 für den Empfang der Streuwellen sowie einen Streuwellen- Reflektor 7 auf. Der Streuwellen-Reflektor 7 ist in einem Abstand b von dem geradlinigen Weg der Ultraschallwellen zwischen dem Sende/Empfangs-Wandler 5 und dem Reflektor 6 weg angebracht und reflektiert die gestreuten Ultraschallwellen zu dem Streuwellen-Empfangswandler 3 hin, der mit der Sende/Empfangs-Einheit 10 verbunden ist. Die aus der Sende/ Empfangs-Einheit 10 abgeleiteten Signale werden der Recheneinheit 4 zugeführt, die gemäß den Gleichungen (III) und (IV) und/oder der Gleichung (V) das Verhältnis I_att/I_sc oder den Logarithmus dieses Verhältnisses ermittelt.

In der Fig. 3 ist grafisch das Verhältnis zwischen der Ultraschallwellenstreuung und der direkten Dämpfung als Funktion des Luftgehalts von Kiefer- oder Fichtencellulose gezeigt, wobei die Konsistenz bzw. Stoffdichte der Stoffsuspension 0,9% beträgt. Die Versuchsbedingungen sind die in der Fig. 2 dargestellten. Der Luftgehalt der Stoffsuspension wurde mit einer Luftgehalt-Meßvorrichtung gemessen, die nach dem Kompressionsprinzip arbeitet. In der Fig. 3 ist auf der Vertikalachse der Verhältniswert in dB aufgetragen, während auf der Horizontalachse der Luftgehalt in % aufgetragen ist. Gemäß den Versuchsbedingungen ist das Verhältnis zwischen der Ultraschallstreuung und der Dämpfung im wesentlichen linear von dem Luftgehalt der Stoffsuspension abhängig.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Meßzelle 11 aus Kunststoff wie beispielsweise Plexiglas, die an eine Verarbeitungsleitung 12 über eine Rohrleitung 13 angeschlossen ist, welche eine Stoffsuspension bzw. einen Papiermassenbrei von der Verarbeitungsleitung zu der Meßzelle leitet. Die Stoffsuspension wird aus der Meßzelle über einen Auslaß 14 abgeführt. An der Meßzelle 11 sind ein Ultraschallsender 1, 8 sowie an der entgegengesetzten Seite ein Ultraschallempfänger 2, 9 angebracht. Ferner ist in Abstand von dem geradlinigen Weg der Ultraschallwellen zwischen dem Sender und dem Empfänger an der Meßzelle 11 ein Streuwellen-Empfänger 3 angebracht.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 4 und 5 wird auf die vorangehend beschriebene Weise eingesetzt. Unter konstanten Bedingungen, nämlich bei konstanter Konsistenz und konstanter Teilchengröße oder Teilchenverteilung ist jedoch log I_SC konstant, so daß der Streuwellenempfänger nicht benötigt wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung können zum Ermitteln eines Luftgehalts zwischen 0 und 5%, vorteilhaft zwischen 0 und 1,5% in einer Stoffsuspension bzw. einem Stoffbrei eingesetzt werden, die bzw. der eine Stoffmasse bzw. Papiermasse von 0 bis 2%, vorzugsweise von 0 bis 1,5% enthält.

Claims

1. Verfahren zur Analyse des Luftgehalts δ₁ einer Flüssigkeit oder Suspension, bei dem
in die Flüssigkeit bzw. Suspension Ultraschallwellen geleitet werden und die Intensität I_att der gedämpften Ultraschallwellen sowie die Intensität I_SC der gestreuten Ultraschallwellen gemessen werden und
der Luftgehalt δ₁ aus folgender Gleichung bestimmt wird: wobei Δ eine Steigungskonstante ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitätswerte im luftfreien Zustand nach der Gleichung bzw. bestimmt werden.

3. Vorrichtung zur Analyse des Luftgehalts δ₁ einer Flüssigkeit oder Suspension mit einem Ultraschallsender (1) und einem Ultraschallempfänger (2) für das Messen der Intensität I_att der gedämpften Ultraschallwellen, einem Streuwellenempfänger (3) zum Messen der Intensität I_sc der gestreuten Ultraschallwellen und einem Rechner (4) zum Lösen der Gleichung wobei Δ ein Steigungskoeffizient ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Streuwellenempfänger (3) in einem Abstand a von dem geradlinigen Weg des Ultraschalls zwischen dem Ultraschallsender (1) und dem Ultraschallempfänger (2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Reflektor (6), der zum Reflektieren von aus einem Sende/Empfangs-Wandler (5) abgegebenen Wellen zu dem gleichen Wandler hin angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch, einen Streureflektor (7), der in einem Abstand b von dem geradlinigen Weg der Ultraschallwellen zwischen dem Ultraschallsender (1) und dem Ultraschallempfänger (2) angeordnet ist und die gestreuten Ultraschallwellen zu einem Streuwellenempfänger (3) reflektiert.