DE3825131A1 - Anordnung zur messung der konzentration von oel-wasser-mischungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Kon­ zentration von Öl-Wasser-Mischungen mit einer vom Meßmedium durchsetzten, eine Meßstrecke aufweisenden Meßkammer.

Solche Öl-Wasser-Mischungen werden, als Emulsionen bezeich­ net, verbreitet bei der Metallumformung, insbesondere aber beim Kaltwalzen von Stahl und NE-Metallen, benutzt. Gegen­ über bspw. beim Aluminiumwalzen benutzten Walzölen weisen solche Emulsionen vorteilhaft niedrige Gestehungskosten auf, und sie erweisen sich als außerordentlich vorteilhaft, weil bereits der Wasseranteil durch hohe spezifische Wärme und gegebenenfalls niedrigen Verdampfungspunkt eine hohe Kühl­ wirkung auszuüben vermag, während der Ölanteil die in der Umformzone erforderliche Schmierung sicherstellt.

Da die Schmierwirkung demnach vom Anteil der Ölphase der Emulsion abhängt, ist es erforderlich, zur Erzielung insbe­ sondere eines günstigen Umformprozesses und einer einwand­ freien Oberflächenqualität des umgeformten bzw. gewalzten Materiales, den Ölanteil in einen als vorteilhaft erkannten Bereich zu verschieben. Zur Aufrechterhaltung einer solchen Ölkonzentration ist es aber erforderlich, den Ölanteil lau­ fend zu kontrollieren, um Änderungen durch Ausschleppen von Ölanteilen aus der zyklisch umlaufend genutzten Emulsion ebenso erkennen zu können wie das zusätzliche Eindringen von Wasser, und auch durch Verdampfungsverluste, Frischwasser- oder Ölzugabe bewirkte Änderungen der Konzentration der Emulsion sind festzustellen, um durch Frischwasser- oder Ölzugabe die Konzentration gezielt in den gewünschten Be­ reich zurückführen zu können.

Die hierzu erforderlichen Messungen sind bisher, bspw. täg­ lich, durch Entnahme von Proben bewirkt worden, die an­ schließend labormäßig untersucht und protokolliert wurden. Damit aber besteht die Möglichkeit, daß unvorteilhafte Kon­ zentrationsänderungen gegebenenfalls erst sehr spät bemerkt werden und nur entsprechend verzögert ausgeglichen werden können.

Es ist zwar aus der DE-OS 35 17 065 eine Anordnung zur Über­ wachung des Mischungsverhältnisses zweier Flüssigkeiten bekannt, die auf Konzentrationsänderungen spontan reagiert: Um das unerwünschte und überaus unvorteilhafte Eindringen von Wasser in einen Ölkreislauf nach Möglichkeit kurzfristig zu Warnzwecken festzustellen, wird das im Kreislauf geführte Öl über eine Meßkammer geleitet, innerhalb deren durch eine Meßanordnung die jeweiligen Dielektrizitätskonstante des Meßmediums ermittelt wird. Für den dort angegebenen Zweck hat sich diese Anordnung bewährt, da im Betriebe die relativ niedrige Dielektrizi­ tätskonstante des Öles festgestellt wird und das Eindringen bereits geringer Wassermengen infolge der hohen Dielektri­ zitätskonstante des Wassers sich durch steiles Ansteigen der resultierenden Dielektrizitätskonstante anzeigt. Zur Über­ wachung des Mischungsverhältnisses überwiegend aus Wasser bestehenden Emulsionen eignet sich diese Anordnung nicht, da in diesem Bereiche eine nur geringe Meßempfindlichkeit er­ zielt wird.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, eine gattungs­ gemäße Anordnung zu schaffen, welche es gestattet, mit mäßi­ gem Aufwande den Ölgehalt von in Walzwerken benutzten Emul­ sionen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich mit ausrei­ chender Meßempfindlichkeit zu erfassen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Lehren der Patentan­ sprüche 1 oder 2. Auch hier wird entsprechend der bezeich­ neten Gattung eine vom Meßmedium durchsetzte Meßkammer be­ nutzt, es wird jedoch innerhalb der Meßkammer eine Ultra­ schall-Meßstrecke zwischen einem Ultraschall-Sender und einem Ultraschall-Empfänger gebildet, wobei die Übertragung der Ultraschallsignale über die Meßstrecke ausgewertet wird. Es hat sich gezeigt, daß einerseits die mit Konzentrations­ änderungen sich ändernde Laufzeit der Signale angemessen werden kann. Als besonders charakteristisch für Änderungen der Konzentration haben sich jedoch Änderungen der Absorp­ tion innerhalb der Meßstrecke und damit der Intensitätsab­ schwächung der vom Ultraschallempfänger aufgenommenen Sig­ nale erwiesen, wobei eine relativ einfache Auswertbarkeit sich ergibt, wenn die gemessene Dämpfung mit der Dämpfung einer vorgegebenen Konzentration, zweckmäßig derjenigen reinen Wassers, verglichen wird. Es hat sich hierbei heraus­ gestellt, daß die Konzentration relativ linear der Differenz der Dämpfungswerte reinen Wassers und der zu untersuchenden Emulsion folgt, so daß der für die Meßanordnung erforder­ liche Aufwand relativ gering bleibt.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Anordnung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Ver­ bindung mit einer dieses darstellenden schematischen Zeich­ nung erläutert.

In der Figur ist eine das Meßmedium führende Rohrleitung 1 gezeigt, die entweder in Serie mit dem Emulsionskreislauf angeordnet sein kann und vom gesamten Emulsionsstrom durch­ flossen wird, oder die im Bypaß zu Elementen des Emulsions­ kreislaufes vorgesehen ist und nur einen Teilstrom desselben führt. Die Rohrleitung kann bspw. in der Vorlauf-Drucklei­ tung bzw. der Saugleitung, gegebenenfalls aber auch der Druckleitung einer den Umlauf der Emulsion bewirkenden Pumpe angeordnet sein. Die Rohrleitung kann aber auch parallel zu geringfügig drosselnden Strecken angeordnet sein oder paral­ lel zu die Temperierung und/oder Reinigung der Emulsion bewirkenden Elementen angeordnet sein. In die Rohrleitung 1, 1 a ist eine Meßkammer 2 eingeschleift, die damit vom Haupt­ strom oder einem Teilstrom des Meßmediums in Richtung des Pfeiles 3 durchsetzt wird.

Innerhalb der Meßkammer 2 ist eine Meßstrecke vorgesehen, und um bei mäßigen Abmessungen der Meßkammer eine erstre­ benswerte Länge der Meßstrecke zu erreichen, wird diese geknickt ausgebildet: Einseitig greift in eine Öffnung der Meßkammer 2 ein Ultraschall-Meßkopf 4 ein, der sowohl einen Ultraschallsender als auch einen Ultraschallempfänger auf­ weist, und beide sind auf einen Reflektor 5 gerichtet, so daß sich, vom Sender des Ultraschallmeßkopfes 4 ausgehend, ein erster Abschnitt 1 der Meßstrecke ergibt, und nach dessen Umlenkung auf dem Reflektor 5 ein zweiter, zum Ultra­ schallempfänger rückführender Abschnitt 15. Damit werden vom Ultraschallsender ausgehende Ultraschallimpulse quer zur strömenden Flüssigkeit auf den Reflektor 5 abgestrahlt und von diesem auf den Ultraschallempfänger rückgestrahlt.

Zur Messung ist eine gesonderte Meßanordnung vorgesehen, die in der gleichen Zeichnung als Blockschaltbild dargestellt ist.

Die Beaufschlagung des Ultraschallsenders des Ultraschall- Meßkopfes 4 erfolgt durch einen Ultraschall-Generator 6, der auf einer als vorteilhaft erkannten Frequenz im Bereiche von etwa 10 MHz arbeitet, und der von einer Auswertvorrichtung 9 her tastbar ist, so daß er nicht kontinuierlich, sondern nur während vorgegebener Zeitintervalle den Ultraschallsender des Ultraschall-Meßkopfes 4 beaufschlagt. Dem Ultraschall­ empfänger des Ultraschall-Meßkopfes 4 ist ein Ultraschall- Verstärker 7 nachgeordnet, der ebenfalls von der Auswertvor­ richtung 9 tastbar ist. Die Meßergebnisse werden über die Auswertvorrichtung 9 einem diese bearbeitenden Rechner 8 zugeführt, dem zum Zwecke der Kompensation eines Temperatur­ driftes das Meßergebnis eines in der Meßkammer 2 angeordne­ ten Temperaturgebers 10 zugeführt wird. Die Ausgabe der Ergebnisse erfolgt im Ausführungsbeispiel über den Rechner und kann auf einem Bildschirm 11 oder einem Display 13 sichtbar gemacht und mittels eines Schreibers 12 protokol­ liert werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, über einen weiteren Anschluß die Ergebnisse als Istwert Regelvor­ richtungen zuzuführen, welche bspw. durch selbsttätige Bei­ gabe von Wasser oder Öl die Konzentration der Emulsion auf einen vorgegebenen Wert einregelt.

Die Anordnung berücksichtigt nicht nur eine Verlängerung der Meßstrecke durch Bildung von zwei, der Dimension der Meßkam­ mer 2 angepaßte Abschnitte, es hat sich auch als vorteilhaft herausgestellt, den Meßsender und Meßempfänger vorjustiert gemeinsam im Ultraschall-Meßkopf 4 unterzubringen, der damit leicht ausrichtbar und im Bedarfsfalle leicht austauschbar ist. Die schwer weitgehend auszuschließende direkte Einkopp­ lung des Ultraschallsenders auf den Ultraschallempfänger wird für die Ermittlung des Ergebnisses unerheblich gemacht, indem für ein zeitlich versetztes Arbeiten gesorgt wird.

Im einzelnen wird, bspw. über die Auswertvorrichtung 9, der Ultraschall-Generator 6 periodisch für ein bestimmtes Inter­ vall, im folgenden Impuls genannt, zum Schwingen mit einer Frequenz von etwa 10 MHz angeregt. Der Ausgang des Ultra­ schall-Generators 6 ist mit dem Ultraschallsender des Ultra­ schall-Meßkopfes 4 verbunden, so daß der Ultraschallsender einen entsprechenden Ultraschall-Impuls über den Abschnitt 14 der Meßstrecke ausstrahlt, der dann, vom Reflektor 5 zurückgeworfen, über den Abschnitt 15 der Meßstrecke den Ultraschallempfänger erreicht. Das von diesem abgegebene Signal wird einem Ultraschall-Verstärker 7 zugeführt, der üblicherweise eine nur geringe Empfindlichkeit aufweist und nur im Anschluß an den Tastimpuls des Ultraschall-Generators 6 auf eine hohe Verstärkung bzw. Empfangsempfindlichkeit heraufgetastet wird. Damit wird erreicht, daß direkt vom Ultraschallsender auf den Ultraschallempfänger übertragene Signale zumindest weitgehend unterdrückt werden, während nach Passieren der Meßstrecke 14, 15 infolge der Laufzeit später eintreffende und in Abhängigkeit vom Absorptionsfaktor des Meßmediums gedämpfte Signale voll erfaßt werden.

Bei der Auswertung wird zweckmäßig von einem Dämpfungswert reinen Wassers ausgegangen, der in vorhergehenden Arbeits­ gängen bspw. nur einmal gemessen und gespeichert wurden, der aber auch bspw. manuell eingegeben sein kann. Im folgenden Rechner 8 wird die Abweichung zwischen der gespeicherten oder vorgegebenen Dämpfung reinen Wassers und der gemessenen Dämpfung der Emulsion gebildet und damit festgestellt, um welchen Betrag die Dämpfung durch den enthaltenen Ölanteil gesteigert ist. Der Zusammenhang zwischen dieser Differenz und dem Ölanteil läßt sich leicht funktionell ermitteln, und es hat sich gezeigt, daß die Abhängigkeit fast linear ist. Der Rechner hat also nur noch die Aufgabe, aufgrund gespei­ cherter Werte oder aber gespeicherter Formeln in Abhängig­ keit von der ermittelten Differenz den prozentualen Ölanteil anzugeben. Es besteht darüber hinaus aber auch noch die Möglichkeit, einen gegebenenfalls auftretenden Temperaturdrift des Meßmediums zu kompensieren. Hierfür ist die Meßkammer mit dem Temperaturgeber 10 ausgestattet, dessen Signale ebenfalls dem Rechner 8 zugeführt werden, und die als Parameter von die Ölkonzentration in Abhängigkeit von der Dämpfungsdiffe­ renz darstellenden Funktionen dient.

Ein Beispiel der Erfassung von Meßwerten ist in Verbindung mit einer Bildschirm-Darstellung des Ultraschall-Verstärkers 7 aufgezeigt. Hier ergibt sich durch die direkte Überkopplung innerhalb des Ultraschall-Meßkopfes 4 ein erster Impuls, dem, durch die Laufzeit entlang der Meßstrecke 14, 15 verzögert, der eigentliche Meßimpuls folgt. Es besteht auch die Möglich­ keit, bspw. über einen gespeicherten oder eingestellten Wert vom eingekoppelten Impuls aus durch Abschwächung den bei reinem Wasser sich ergebenden gedämpften Impuls zu simulieren; dieses hat den Vor­ teil, daß bei der Bildung der Differenz nicht von einem festen Wert ausgegangen wird, sondern von einem von der Amplitude des Ultraschall-Generators 6 abhängigen Wert, so daß Amplitudenschwankungen desselben nicht in das Meßergeb­ nis eingehen.

Es hat bei der Messung üblicher Emulsionen mit einem Ölgehalt von bis zu 9% sich eine relativ hohe Meßgenauigkeit ergeben, wenn hohe Ultraschall-Frequenzen im Bereiche von etwa 10 MHz benutzt werden. Ebenso hat sich hier eine lineare Abhängigkeit der Schallschwächungsdifferenz in Δ dB vom Ölgehalt in Prozent ergeben. Die im Rechner verwendeten Funktionen lassen sich leicht empirisch durch Eichung ermit­ teln und entweder speichern, so daß Einzelwerte auf Anruf zur Verfügung stehen, oder durch Formeln annähern, so daß die gemessenen Schallschwächungsdifferenzen in diese ein­ setzbar sind.

Die beispielhaft gezeigte Anordnung arbeitet digital. Es ist selbstverständlich möglich, auch analog zu verfahren und bspw. die Anzeige statt über das angedeutete Display mittels eines Drehspulinstrumentes vorzunehmen, dessen Skala ent­ sprechend der Eichung ausgebildet ist. Auch hier läßt sich durch eine zweckmäßig multiplikative Korrektur des Meßergeb­ nisses eine Temperaturkompensation bewirken. Ebenfalls läßt sich ein analoges Ergebnis zur Vorgabe von Sollwerten auf Regelvorrichtungen nutzen.

Als Vorteil hat sich jedoch gezeigt, daß bei der digitalen Verarbeitung als Rechner ein üblicher PC einsetzbar ist.

Durch das Arbeiten mit gegeneinander versetzten Impulsen wird zwar der direkte Kopplungseinfluß unterbunden, die Messung selbst ist jedoch nicht mehr kontinuierlich, wie es an sich möglich ist. Zweckmäßig wird hier, bspw. durch die Auswertvorrichtung bestimmt, periodisch in geringen Abstän­ den von bspw. Bruchteilen einer Sekunde ein den Ultraschall- Generator 6 einschaltender Tastimpuls bewirkt, auf den, entsprechend verzögert, ein Tastimpuls für den Ultraschall- Verstärker 7 folgt. Die Auswertvorrichtung 9 kann nach kur­ zer Freiwerdezeit die nächsten Tastimpulse bewirken, und nur bei sehr geringem Abstand der Tastimpulse empfiehlt sich eine Überwachung des Freiwerdens bspw. des Rechners 8. Die Messung erfolgt damit nicht kontinuierlich, sondern vielmehr mit hoher Folgefrequenz periodisch. In an sich bekannter Art kann das jeweilige Ergebnis hierbei überlappend festgehalten bzw. angezeigt werden, und es besteht auch die Möglichkeit, die Anzeige jeweils als Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl von Einzelmessungen zu bewirken.

Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die Meß­ strecke auch nur ungeknickt und einfach durchgehen zu las­ sen; ebenso besteht aber auch die Möglichkeit, die Meß­ strecke mehrfach abzulenken und bspw. den abgegebenen Impuls auf einen ersten Reflektor zu richten, der ihn auf einen zweiten weitergibt, von dem aus der Impuls auf den ersten Reflektor zurückgeführt und von diesem auf den Ultraschall­ empfänger gespiegelt wird. Die Mehrfachablenkung ist nicht auf den Einsatz von zwei Reflektoren begrenzt.

Claims (9)

1. Anordnung zur Messung der Konzentration von Öl-Wasser- Mischungen mit einer vom Meßmedium durchsetzten, eine Meßstrecke aufweisenden Meßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer einen Ultraschallsender und einen Ul­ traschallempfänger aufweist, denen eine Meßanordnung zugeordnet ist, welche die innerhalb der zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger gebildeten Meßstrecke bewirkte Dämpfung von die Meßstrecke passie­ renden Ultraschallsignalen ermittelt.

2. Anordnung zur Messung der Konzentration von Öl-Wasser- Mischungen mit einer vom Meßmedium durchsetzten, eine Meßstrecke aufweisenden Meßkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger aufweist, denen eine Meßanordnung zugeordnet ist, welche die Laufzeit von die zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger gebildete Meßstrecke passierenden Ultraschallsignalen ermittelt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in einem gemeinsamen Ultraschallmeßkopf (4) angeordnet sind, der auf einen in der Meßkammer (2) angeordneten Reflektor (5) gerichtet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (2) mit einem Temperaturgeber (10) ausgestattet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine in der Größenordnung von 10 MHz liegende Ultra­ schall-Frequenz.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen tastbaren, den Ultraschall­ sender beaufschlagenden Ultraschall-Generator (6) sowie einen dem Ultraschallempfänger nachgeordneten, tastbaren Ultraschall-Verstärker (7) aufweist, die periodisch für kurze, gegeneinander in der Phase verschobene Intervalle hochtastbar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastimpulse für den Ultraschallgenerator (6) sowie den Ultraschall-Verstärker (7) vorzugsweise derart phasenverschoben sind, daß die Rückflanken der den Ultra­ schall-Generator tastenden Impulse und die Frontflanken der den Verstärker tastenden Impulse mit kurzem zeitli­ chen Abstande aufeinanderfolgen, einander überlagern oder aber Bereiche der Impulse sich vorzugsweise nur geringfügig überlappen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen Speicher aufweist, in dem die Dämpfung oder diese reproduzierende Werte einer Mischung vorgegebenen oder bestimmten Ölanteiles, vorzugsweise 0%, einstellbar oder speicherbar sind, und daß zur Bestimmung des Ölanteiles die Differenz dieses Wertes vom Meßwert gebildet wird und das Ergebnis als Funktion dieser Diffe­ renz angegeben wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Temperaturgeber (10) vorgegebene Temperatur als Parameter der Funktion in die diese benutzende Rech­ nung eingeführt wird.