DE3706776A1 - Verfahren zur ermittlung der menge eines stoffes in einem fluid und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es besteht häufig die Aufgabe, die Menge wenigstens eines Stoffes in einem Fluid zumindest qualitativ festzustellen. Beispielsweise erscheint es notwendig, die Konzentration bestimmter Stoffe, wie z.B. Zinn, Blei oder Kupfer in einer Lösung zu bestimmen, um beurteilen zu können, ob das Lösungsmittel noch verwendet werden kann. Dabei kommt es unter Umständen weniger darauf an, Kenntnis zu erlangen über die genaue Konzentration eines oder mehrerer bestimmter Stoffe; es genügt oft, wenn der Verschmutzungsgrad bekannt ist, um beurteilen zu können, ob die Flüssigkeit noch genügend sauber, d.h. verwendbar ist oder ob die Flüssigkeit auszutauschen ist.

In der Vergangenheit ist die Konzentration derartiger Stoffe in einem Lösungsmittel chemisch oder optisch ermittelt worden; diese Ermittlungsverfahren sind aber aufwendig und häufig einer automatisierten Überwachung nicht zugänglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfach durchführbar ist und in jedem Fall auswertbare Ergebnisse zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren macht man sich zunutze, daß sich der Dämpfungsfaktor innerhalb des Fluides mit der Menge der darin befindlichen Stoffe verändert; man hat festgestellt, daß sich dann, wenn mehr von dem oder den Stoffen in dem Fluid gelöst oder aufgenommen ist, der Dämpfungsfaktor erhöht. Vorteilhaft kann das Verfahren dann angewandt werden, wenn man das Fluid ohne jegliche Verunreinigung als Ausgangswert (Referenzwert) zugrunde legt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist dem Anspruch 2 zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann, wie man festgestellt hat, überall dort angewendet werden, wo es auf die Feststellung der Verunreinigungen eines Fluides, z.B. nach dem Anwendungsanspruch 13 einer Flüssigkeit oder nach dem Anspruch 14 eines Gases, mit Zusatzstoffen, wie Lösungen, Partikeln oder im Falle von Gasen Aerosolen ankommt. Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist dort zu sehen, wo in einem Produktionsprozeß zu verwendende Flüssigkeiten auf ihre Sauberkeit untersucht bzw. geprüft werden müssen, wie z.B. Ätzbäder, Waschlaugen und dergl., in denen sich im Laufe der Zeit Stoffe lösen, bis die Bäder nicht mehr verwendet werden können. Diesen Zeitpunkt, wenn die Bäder allzusehr verschmutzt sind, daß sie nicht mehr ihre Wirkung haben, kann man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach feststellen, weil nämlich der Dämpfungsgrad sich mit dem Grad der Verunreinigung ändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft bei der Untersuchung von Abwässern, insbesondere einer Kläranlage benutzt werden. Ferner ist es möglich, durch Durchschallen von Öl in Motoren Rückschlüsse auf dessen Verunreinigungsgrad mit Abriebteilchen zu ziehen.

Es hat sich auch herausgestellt, daß das Verfahren angewandt werden kann bei der Untersuchung der Verunreinigung oder der Dichte von Gasen. Hier ist, da es sich um ein "dünnes" Medium handelt, die Meßstrecke lang genug zu wählen.

Weiterhin kann das Verfahren günstig bei der Bestimmung des Zuckergehaltes von Fruchtsäften, z.B. Trauben- oder Apfelsäften und dergl. angewandt werden, weil sich die Dichte der Säfte mit der Zuckermenge ändert.

Eine Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann, ist aus dem Anspruch 3 bzw. 4 zu entnehmen; transportable, handbetätigbare Vorrichtungen sind den Unteransprüchen 5 bis 12 zu entnehmen.

Bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist immer darauf zu achten, daß das Fluid innerhalb der Meßstrecke nicht turbulent ist. Bei der Ausgestaltung nach den Ansprüchen 6 bis 8 kann dies durch geeignete Bemessung der Öffnungen erreicht werden: je kleiner die Öffnungen gehalten sind, desto geringere Turbulenzen ergeben sich innerhalb der Meßstrecke.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen näher erläutert und beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine besondere Anwendungsform der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 je eine Ausführungsform von trans­ portablen erfindungsgemäßen Vor­ richtungen,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht durch den Zylinderkörper der Ausführungsform nach Fig. 3 und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Messung von Gasen.

Es sei nun Bezug genommen auf die Fig. 1. An einem zylinderartigen Behälter 10, der an seiner linken Seite einen Behälterboden 11 aufweist, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 12 angebracht, und zwar so, daß die Vorrichtung flüssigkeitsdicht am Rand des zylinderförmigen Behälters 10 befestigt ist. Die Vorrichtung 12, die beispielsweise ein Gehäuse sein kann, besitzt einen Sende- und Empfangskopf 13 für Ultraschall, der mit einer Auswerteeinrichtung 14 verbunden ist, in der die vom Sende- und Empfangskopf 13 herkommenden Signale ausgewertet werden, wodurch über eine Zwischenschaltung 15 eine Hupe 16, ein Relais 17 oder eine Lampe 18 eingeschaltet wird. In das Innere des zylindrischen Behälters 10 fließt durch einen ersten Stutzen 19 eine Flüssigkeit zu (Pfeile 20) und aus dem Behälter 10 fließt die Flüssigkeit (Pfeile 21) über einen Stutzen 22 wieder ab.

Auf der Außenseite des Bodens befindet sich ein Reinigungsschwinger 23 und die Innenfläche des Bodens 11 ist als Reflexionsfläche 24 für Ultraschall ausgebildet.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt:

Als Flüssigkeit, die in den Behälter 10 einfließt, sei eine Säure, wie sie bei Bearbeitung von Leiterplatten verwendet wird, vorgesehen. In dieser Säure werden Blei und Zinn gelöst, und die Konzentration der Menge Blei bzw. Zinn in der Säure kann mittels des Ultraschalls wie folgt gemessen werden:

Wenn in der Säure kein Blei bzw. Zinn oder beides eingebracht ist, erhält man eine Dämpfung von 60 dB, wobei die Meßstrecke, also der Abstand zwischen dem Meßkopf 13 und der Reflexionsfläche 24, 200 mm beträgt und die Sende- und Empfangsfrequenz 10 MHz betragen. Befindet sich in der Säure eine Menge Blei und Zinn von 43 Gramm pro Liter, dann erhält man eine Dämpfung von fast 80 dB; wenn die Menge an Blei und Zinn 48 Gramm pro Liter Säure beträgt, dann erhält man als Dämpfungsfaktor sehr genau 80 dB.

Man erkennt hieraus, daß zwischen sogenannter sauberer Säure und verunreinigter Säure 20 dB liegen und man kann einen Zwischenwert zwischen 60 und 80 dB als Maximalwert benutzen und erhält auf diese Weise eine sichere Anzeige dafür, ob die Säure noch zulässig verunreinigt oder schon unzulässig verunreinigt ist.

Selbstverständlich können auch in Säure gelöste Salze, in normalen Wasser gelöste Salze oder Lauge, Abwässer und dergleichen untersucht und gemessen werden; der Dämpfungsfaktor bzw. die Änderung des Dämfpungsfaktors gibt dann ein Maß für die Verunreinigung oder allgemein für die Konzentration des Stoffes in der Lösung.

Dabei ist die Abstandsstrecke, also die Strecke zwischen Meßkopf 13 und Reflexionsfläche 24 entsprechend der Dichte der Flüssigkeit zu wählen; je dichter die Flüssigkeit ist, desto kürzer ist auch die Meßstrecke zu wählen. Die Frequenz ist für die Bemessung der Länge der Meßstrecke nur von geringer Bedeutung.

Der Reingigungsschwinger 23 dient dazu, nach einer gewissen Zeit die Reflexionsfläche 24 und den Meßkopf 13 zu reinigen, indem das Medium bzw. die Flüssigkeit in Schwingung versetzt und dadurch die Reflexionsfläche und der Meßkopf gereinigt wird.

Es ist zu beachten, daß während der Messung die Flüssigkeit innerhalb des Behälters 10 ruhen muß; Turbulenzen sind nicht gewünscht und verfälschen dabei das Meßergebnis.

Gemessen wird also der Dämpfungsgrad der Flüssigkeit.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann auch in einem großen Behälter 30 eingesetzt werden, s. Fig. 2. Hierzu ist eine Öffnung 31 in der Wand des Behälters vorzusehen, in die ein dem Gehäuse 12 entsprechendes Gehäuse 32 eingesetzt wird, welches den Meßkopf 33 trägt. Erforderlich dann lediglich, auf der gegenüberliegenden Seite eine Reflexionsfläche 34 vorzusehen. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie diejenige gemäß Fig. 1.

In der Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die transportabel ist. Sie besitzt einen zylinderförmigen Körper 50, der an seinem einen Ende ein Innengewinde 51 und an seinem anderen Ende einen Flanschboden 53 aufweist, der den Körper 50 an seinem Außenumfang mit einem Flansch 53 überragt und im Inneren des Körpers 50 einen Randbord 54 aufweist, der eine Öffnung 55 umgrenzt, in die eine Sende- und Empfangseinrichtung 56 (Meßkopf 56) eingesetzt ist. Ins Innere des Körpers 50 ist ein Ultraschallreinigungsschwinger 57 eingesetzt, der ringförmig ausgebildet ist und den Meßkopf 56 umgibt. Der Ultraschallreiniger 57 ist mittels einer Gewindemutter 58, die ins Innere des Körpers 50 und in dessen Innengewinde 51 einschraubbar ist, befestigt, und zwar so, daß der Ultraschallreinigungsschwinger 57 an den Boden 52 fest angepreßt wird. Durch die Mutter 58 ist ein Anschluß 59 für den Ultraschallreiniger 57 hindurchgeführt.

Durch eine Bohrung 60 im Flansch 53 ist eine Stange 61 hindurchgeführt und in der Bohrung 60 verstellbar gehalten, deren freies Ende abgebogen und mit einem Reflexionsspiegel 62 versehen ist, wobei die Stange 61 mittels nicht näher dargestellter Bauelemente an dem Flansch 63 in gewünschter Entfernung von der vorderen Fläche des Meßkopfes festgelegt werden kann. Im Bereich des Randbordes 54 sind Querschnittsverengungen 63 dadurch bewirkt, daß auf der in die Behälterinnenseite weisenden Fläche ringförmige Nuten 64 vorgesehen sind; diese ringförmigen Nuten bewirken eine elastisch-federnde Ausgestaltung des Randbordes 54; eine zweckmäßige Ausgestaltung bzw. Anordnung einer Nut 64 zeigt die Fig. 5. Dort befindet sich die Nut im Flansch 53 außerhalb des Bereiches des Körpers 50, so daß sowohl der Meßkopf 56, der Ultraschallreinigungsschwinger 57, die Mutter 58 und der Körper 50 schwingen können, wodurch eine Reinigung des Meßkopfes und darüber hinaus auch der Reflexionsfläche 62 realisiert werden kann, ohne daß sich der Reinigungsschwinger lockern kann.

Anstatt einer Stange 61 (wie in Fig. 3 dargestellt) mit einer Reflexionsfläche 62 vorzusehen, kann an den Flansch 53 der Flansch 70 eines Rohres 71 angeflanscht werden, dessen freies, dem Flansch 70 entgegengesetztes Ende einen die Reflexionsfläche 72 aufnehmenden Boden 73 trägt. Damit die zu messende Flüssigkeit zwischen den Meßkopf 56 und die Reflexionsfläche 72 gelangen kann, besitzt das Rohr mehrere am Umfang verteilte, in zweckmäßiger Weise oval ausgestaltete Bohrungen 74; hierbei sind insgesamt acht Bohrungen in einer Ebene quer zur Längsachse des Rohres 71 angeordnet und drei derartiger Sätze von Bohrungen in geeignetem Abstand zueinander. Die Anordnung gemäß Fig. 3 und Fig. 4 kann dann leicht in einen Behälter mit der Hand hineingehalten werden; da dabei lediglich dafür zu sorgen ist, daß keine Turbulenzen im Bereich der Meßstrecke auftreten, kann die Anordnung gemäß den Fig. 3 und 4 leicht manuell gehandhabt werden. Im übrigen ist durch geeignete Bemessung der Bohrungen 74 eine Turbulenzfreiheit der Flüssigkeit innerhalb der Meßstrecke leicht zu erreichen. Benutzt man die Vorrichtung in einem strömenden Medium, dann müssen die Bohrungen eng ausgestaltet werden.

Die Meßvorrichtung hat die gleiche Funktion wie die der Fig. 1 und demgemäß ist es hier nicht mehr erforderlich, die Wirkungsweise der beiden Anordnungen nach den Fig. 3 und 4 näher zu erläutern.

Die Fig. 6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Messung der Verunreinigungen oder der Dichte von Gasen. In einem Rohr 80 befindet sich eine Bohrung 82, in die ein Sendekopf 81 gasdicht eingesetzt ist. auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich eine in das Rohr 81 ebenfalls gasdicht eingesetzte Reflexionsfläche 83, die eben sein kann, hier aber konkav als akustische Linse ausgebildet ist, um eine Bündelung des Ultraschallstrahles 84 zu erzielen. Die Reflexionsfläche 83 reflektiert den Ultraschallstrahl 84 auf eine zweite Reflexionsfläche 85, die gleich der Reflexionsfläche 83 ausgebildet ist. Von dort wird der Ultraschall auf eine dritte Reflexionsfläche 86 reflektiert und von dort zu einer Empfangseinrichtung 87 zugeleitet. Die Ausgestaltung der akustischen Linsen ist so zu wählen, daß der Ultraschallstrahl 84 auf die jeweils nächste Reflexionsfläche konzentriert wird, um die Verluste möglichst gering zu halten. Die Meßstrecke im Rohr 81 wird dabei zickzackförmig durchlaufen, um sie ausreichend lang zu machen. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie die bei den Ausführungen nach den Fig. 1 bis 5. Selbstverständlich kann ein Reinigungsschwinger vorgesehen sein; er ist aber allgemein u.U. nicht erforderlich; entweder sind keine Verunreinigungen der Reflexionsflächen zu erwarten oder man kann sie mechanisch oder manuell reinigen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Ermittlung der Menge mindestens eines Stoffes in einem Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid mit Ultraschall durchschallt wird, wobei der Dämpfungsfaktor des Fluides gemessen und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall von einem eine Sende- und Empfangseinrichtung aufweisenden Meßkopf abgestrahlt und von einer in Abstand dazu angeordneten Reflexionsfläche zum Meßkopf reflektiert wird, so daß das Fluid zweimal durchschallt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstand zu einem Sendekopf, mit dem Ultraschall abgestrahlt werden kann, eine Empfangseinrichtung vorgesehen ist, welche den durch das Fluid hindurch verlaufenden Ultraschallstrahl empfängt und dabei ein Signal abgibt, welches in einer Auswerteeinheit mit einem Signal verglichen wird, das bei unverschmutzem Fluid erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sende- und der Empfangseinrichtung (82, 87) mehrere weitere Reflexionsflächen (83 bis 86) vorgesehen sind, welche ggf. als akustische Linsen ausgestaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangseinrichtung in einem Meßkopf (13) untergebracht sind und in Abstand zu dem Meßkopf (13) eine Reflexionsfläche (24) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf an einem Ende eines Rohres (10) vorgesehen ist, an dessen anderem Ende es die Reflexionsfläche trägt, wobei das Rohr (10) wenigstens eine Zu- bzw. Abflußöffnung (19, 22) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (71) viele gleichmäßig am Umfang verteilte Öffnungen (74) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylinderförmiger Körper (50) mit einem Innengewinde (51) vorgesehen ist, dessen eines Ende einen Flansch (53) und einen im Inneren des Körpers (50) befindlichen Flanschbord (54) aufweist, und daß am Flansch das Rohr (71) mit der Reflexionsfläche (72) oder eine Stange (61) mit der Reflexionsfläche (62) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (61) verschiebbar im Flansch (53) geführt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ins Innere des Körpers (50) ein Ultraschallreinigungsschwinger eingeführt und darin mittels einer mit dem Innengewinde (51) zusammenarbeitenden Mutter (58) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Flansches (53) bzw. des Flanschbordes (52) durch Rillen (54) erzeugte Verengungen des Flansch- bzw. Flanschbordquerschnittes erzeugt sind, so daß zumindest der Flanschbord von dem Ultraschallreinigungsschwinger (57) in Schwingungen versetzbar ist, um den Meßkopf und gegebenenfalls die Reflexionsfläche zu reinigen.

12. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (56) durch den als Ring ausgebildeten Ultraschallreinigungsschwinger (57) und durch die als Ring ausgebildete Mutter (58) abgedichtet hindurchgreift.

13. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12 zur Messung der Verunreinigung und/oder der Dichte von Flüssigkeiten.

14. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12 zur Messung der Verunreinigung und/oder der Dichte von Gasen.