DE4118809A1 - Vorrichtung zur messung kleiner fluessigkeits- und partikelstroeme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Ultraschall-Doppler-Strömungsmeßvorrichtungen sind bekannt (deutsche Zeitschrift "msr", Berlin, Jahrgang 31, (1988), Selten 232-234, britische Zeitschrift Medical and Biological Engineering, US-PS 38 58 446). Dabei werden Meßrohre mit einem kreisförmigen Querschnitt verwendet. Die mit dem be­ kannten Vorrichtungen erhaltenen Differenzfrequenz- oder Dopp­ ler-Signale weisen bei Verwendung jedoch eine geringe Höhe und große Breite auf, also ein ungünstiges Nutz-/Stör-Signal-Ver­ hältnis, so daß die Meßgenauigkeit unbefriedigend ist.

Um schärfere Meßsignale zu erhalten, wird nach der US-PS 44 13 531 das aus dem Mischer kommende Doppler-Signal mit einer relativ aufwendigen Schaltanordnung optimiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschall-Doppler-Meßvor­ richtung für kleine Flüssigkeits- und Partikelströme in einem Meßrohr mit kleinem Innenquerschnitt bereitzustellen, das ohne apparativem Mehraufwand scharfe Doppler-Meßsignale nur von Par­ tikeln liefert und zwar auch dann, wenn sich diese hinsichtlich ihrer akustischen Ultraschall-Impedanz nur geringfügig vom Trä­ germedium unterscheiden.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

D.h., der plättchenförmige Sendeschallwandler und der plättchen­ förmige Empfangsschallwandler liegen jeweils planparallel auf einer ebenen Fläche an der Außenwand des Meßrohres auf, wobei diese Flächen in Strömungsrichtung von innen nach außen oder von außen nach innen verlaufen, und zwar mit einem Winkel, der dem Einstrahlwinkel der Leitfrequenz des Sendeschallwandlers in oder gegen die Strömungsrichtung entspricht. Diese kleinen ebenen Flächen werden vorzugsweise jeweils durch die Flanke einer Nut gebildet, die durch eine Einkerbung in die Außenseite des Meß­ rohres an den entsprechenden Stellen über den Umfang des Meßroh­ res hervorgebracht wird.

Erfindungsgemäß ist nun die Innenwand des Rohres an dem der jeweiligen ebenen Fläche der Außenwand zugewandten Bereich eben­ falls als ebene, zur Rohrlängsachse parallele Fläche, ausgebil­ det, also nicht kreisförmig, wie nach dem Stand der Technik.

Ein kreisförmiger Innenquerschnitt des Meßrohres führt nämlich zu einer Streuung des gebündelten Ultraschallstrahls, und damit zu einem breiten flachen Doppler-Signal-Peak, also zu einem schlechten Nutz-/Störsignal-Verhältnis. Dies liegt darin begrün­ det, daß der Weg des Schallstrahls von der ebenen Fläche an der der Rohraußenseite, auf der der plättchenförmige Sendeschallwandler aufliegt, durch die Rohrwand hindurch aufgrund der Krümmung der kreisförmigen Rohrinnenwand unterschiedlich lang ist. Gleiches gilt für den Weg des Schallstrahls durch die Rohrwand zu der ebenen Fläche, auf der der plättchenförmige Empfangsschallwandler aufliegt. Zugleich ist dadurch die Laufzeit der Schallstrah­ len unterschiedlich groß, was eine unterschiedliche Dämpfung des Schallstrahles beim Durchtritt durch die Rohrwand bedingt, neben unterschiedlichen Phasendrehungen.

D.h. bei einem kreisförmigen Innenquerschnitt des Meßrohres kommt es zu unterschiedlichen Dämpfungen und Brechungen des einzelnen Schallstrahls, d. h. einer Zerstreuung der Schallkeule, die damit schlechter ausgewertet werden kann. Dieses Problem verstärkt sich noch dadurch, daß die Schallfeldgeometrie mangels Leistungsabgabe beim Sender und geringer Empfindlichkeit beim Empfänger-Sensorelement größer als konstruktiv erforderlich ausgeführt werden muß.

Die ebene Flache an der Rohrinnenwand, die der ebenen Fläche an der Rohraußenwand mit dem plättchenförmigen Sendeschallwandler bzw. Empfangsschallwandler gegenüberliegt, kann durch einen ovalen Querschnitt des Rohres mit einander gegenüberliegenden ebenen Innenflächen gebildet sein, also einen Innenquerschnitt aus zwei Halbzylindern mit ebenen, parallelen Flächen dazwischen. Jedoch hat sich bei Kleinstmengen (µl/s) vor allem ein rechteckiger, also insbesondere quadratischer Querschnitt sowie bei Kleinmengen (ml/s) ein sechseckiger Querschnitt als geeignet erwiesen.

Der Doppler-Effekt in Flüssigkeiten und anderen Fluiden beruht darauf, daß Teilchen in einem Fluid in einem gebündelten Schall­ strahl aufgrund ihrer Relativbewegung zwischen Sender und Emp­ fänger eine Frequenzverschiebung (die Doppler-Frequenz) nach Reflexion (Echo) erzeugen. In einem Rohr mit geringem Innen­ durchmesser bewegen sich die Teilchen in dem Flüssigkeitsstrom jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Demgemäß wird das Doppler-Meßsignal aus vielen verschiedenen Differenzfrequenzen gebildet, so daß ein relativ breites, niedriges Meßsignal mit einem entsprechend niedrigen Nutz-/Störsignal-Verhältnis ent­ steht.

Einen Grund für die unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit der Partikel bildet die Reibung der Trägerflüssigkeit an der Rohrwand. Bei einem rechteckigen Querschnitt des Rohres wird jedoch in den rechtwinkligen Ecken die Strömungsgeschwindigkeit weiter herabgesetzt. Eine Ausnahme bilden z. B. thixotrop einge­ stellte Kleinstmengen bei kurzer Strömungszeit. Da ein Sechseck Ecken mit einem größeren Winkel aufweist, ist bei einem Sechseck die Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit in den Ecken geringer, weshalb erfindungsgemäß ein sechseckiger Innenquer­ schnitt des Rohres normalerweise einem viereckigen Innenquer­ schnitt vorgezogen wird, es sei denn das Fluid hat ein anormales Fließverhalten.

Die ebene Flächen an der Außenseite des Meßrohres, an denen der Sendeschallwandler bzw. Empfangsschallwandler aufliegt, können einander gegenüber liegen, also in bezug auf den Rohrumfang um 180° versetzt sein. Jedoch kann dieser Winkel auch variieren. Denn Voraussetzung ist nur, daß die beiden Schallwandler auf das gleiche Schnittvolumen der Schallkeule ausgerichtet sind. Ein Vorteil eines prismatischen Innenquerschnitts besteht nun darin, daß dieser Winkel problemlos variiert werden kann. D.h. bei einem quadratischem Querschnitt können die beiden Schallwandler in bezug auf den Rohrumfang um 180° oder 90° versetzt sein und bei einem sechseckigen Querschnitt um 180°, 120° oder 60°.

Es kommt also erfindungsgemäß nur darauf an, daß die Einstrahl- bzw. Abstrahlflächen außen und innen beim Meßrohr plan und parallel eben sind, wobei sich ein Winkel der Außenflächen gegenüber der Rohrlängsachse normalerweise nicht vermeiden läßt, es sei denn man benutzt Piezoelemente, die bei gerader Plätt­ chenform den Ultraschall in einem bestimmten Winkel abgeben.

Die ebenen Flächen an der Außenseite des Rohres, auf denen der Sendeschallwandler bzw. Empfangsschallwandler aufliegt, ist entsprechend dem Einstrahlwinkel der Leitfrequenz des Sende­ schallwandlers gegenüber der Rohrlängsachse geneigt. Wie sich herausgestellt hat, ist es vorteilhaft, den Einstrahlwinkel in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Meßrohres, d. h. dem Abstand der einander gegenüberliegenden ebenen Flächen an der Rohrinnenwand zu ändern. D.h., es ist vorteilhaft folgende Bedingung einzustellen.

worin n der Abstand der beiden sich gegenüberliegenden ebenen Flächen der Rohrinnenwand in Millimeter bedeutet.

Diese Bedingung stützt sich auf Versuche, die folgende optimalen Einstrahlwinkel in Abhängigkeit vom Abstand dieser beiden Flä­ chen voneinander ergeben haben: ca. 50° bei 1 mm, ca 40° bei 3 mm, ca. 30° bei 6 mm und ca. 25 bis 30° bei 8 mm.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf den verschiedensten Gebieten zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme eingesetzt werden.

Während reines Wasser nur ein sehr schwaches spezifisches Dopp­ ler-Frequenz-Linienspektrum abgibt, löst ein einziges Teilchen ein einziges kurzes, aber starkes Signal und damit einen Impuls aus. Damit können einerseits Partikel in großer Zahl bestimmt werden, die dann bei regelmäßiger Koinzidenz ein gleichförmiges Meß- und Impulssignal abgeben und andererseits nur eine ver­ schwindend geringe Anzahl von Feststoffpartikeln, die sich gegenüber dem fließenden Medium hinsichtlich ihrer Schallimpe­ danz abheben.

Im Gegensatz zur Bestimmung von Feststoffpartikeln in Flüssig­ keiten mit stark unterschiedlicher Impedanz steht die Bestimmung einer Abgabemenge von Klebstoff und Öl. Hier ist das strömende Medium nicht von Feststoffpartikeln durchsetzt, sondern von großen Molekülen, die unter der Voraussetzung einer gleichmäßi­ gen Verteilung ein gleichmäßiges Doppler-Liniensignal allerdings mit geringer Amplitude liefern.

Das Meßrohr besteht aus einem Material, das einen E-Modul von mehr als 2500 M Pa aufweist und an der Innenwand eine Oberflä­ chenenergie von weniger als 200 mN/m besitzt. Dieses Material kann beispielsweise Polyoxymethylen, Polyvinylchlorid, Polyme­ thylmethacrylat, Areylmethylmethacrylat, Polysulfon, Polyacetal­ harz, Polyethylentherephthalat, Polycarbonat, Epoxy-Harz, Poly­ etherimid, Polyetheretherketon, Polyamidimid oder Polyimid sein, ferner Polypropylen, Polyethylen oder ein Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-Polymeres wie PTFE, PVDF oder FEP, wel­ ches mit einem Füllstoff aus einem Material mit einem E-Modul von mehr als 2500 M Pa und einer Teilchengröße versetzt ist, wobei die Teilchengröße K des Füllstoffes in µm folgender Bedin­ gung entspricht:

wobei f die Frequenz des Ultraschalls in MHz ist. Auch kann das Rohr aus einem Material bestehen, daß einen E-Modul von mehr als 2500 M Pa aufweist, jedoch eine Oberflächenenergie von mehr als 200 mN/m, sofern es mit einer Innenauskleidung versehen ist, die aus einem Material besteht, das eine Oberflächenenergie von weniger als 100 mN/m besitzt, beispielsweise ein Fluor­ kohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-Polymeren mit einer geringen Schichtdicke von beispielsweise höchstens 0,3 mm.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es, die derzeit schlechte Meßgenauigkeit von ±20% auf ca. ±1% zu erhöhen. Bisher nicht erfaßbare Meßstoffe können erfindungsgemäß genau gemessen werden.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Meßrohr mit einem Block-Schaltbild der Ultraschall-Doppler-Meßvor­ richtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Meßrohr entlang der Linie II-II nach Fig. 1 in vergrößerter Wieder­ gabe; und

Fig. 3 und 4 jeweils weitere Meßrohrquerschnitte.

Gemäß Fig. 1 strömt durch ein Rohr 1 eine partikelfreie oder fast partikelfreie Flüssigkeit oder flüssige Aufschlämmung in Richtung des Pfeiles 2. Ein HF-Oszillator 3 mit einer Sendefre­ quenz von z. B. 1 bis 20 MHz liefert eine Ultraschall-Sendefre­ quenz, die von einem Verstärker 4 verstärkt und einem Sende­ schallwandler 5 zugeführt wird.

Der Sendeschallwandler 5 besteht aus einem plättchenförmigen piezoelektrischen Geber, der beispielsweise quadratisch und z. B. 4×4 mm groß sein kann, oder eine Kreisform mit einem Durch­ messer von z. B. 3 mm oder eine Halbkreisform besitzt. Wie in Fig. 2 dargestellt, besteht der Sendeschallwandler 5 aus einem piezoelektrischen Kristall 6 oder Kunststoffplättchen, welches unten und oben mit einer Elektrode 7 bzw. 8 beschichtet ist. Wenn ein elektrisch leitfähiger z. B. mit Silber gefüllter Acrylatkleber zur Befestigung des Sendeschallwandlers 5 verwen­ det wird, kann die Elektrode 7 fehlen.

Der Sendeschallwandler 5 ist an die schräge Flanke 9 einer Nut 10 in dem Rohr 1 mit einer Schallkopplungsmittel-Schicht 11 festgebunden. Die Dicke des Rohres 1 an der tiefsten Stelle der Nut beträgt ca. 1-2 mm. Das Schallkopplungsmittel kann ein Epoxykleber, ein Cyanokleber oder ein leitfähiger, beispiels­ weise silbergefüllter Acrylatkleber sein, der in der Lage ist, den piezoelektrischen Sendeschallwandler 5 fest und schallgekop­ pelt mit dem Rohr 1 zu verbinden. Die Nut 10 ist durch eine Einkerbung des Rohres 1 an der betreffenden Seite gebildet.

Der Rohrinnendurchmesser d beträgt beispielsweise 6 mm. Dann wird vom Sendeschallwandler 5 der Ultraschallstrahl 12 (Leit­ frequenz) mit einem Einstrahlwinkel Alpha von ca. 30° gegenüber der Rohrlängsachse 13 schräg in die Flüssigkeit in Strömungs­ richtung 2 eingestrahlt.

Der Ultraschallstrahl 12 wird im Meßbereich B an Streuteilchen in der Flüssigkeit reflektiert und die reflektierte Strahlung 14 (Empfangsfrequenz), die aufgrund des Dopplereffekts durch die Bewegung der Streuteilchen in Richtung des Pfeiles 2 frequenz­ verschoben ist, wird von einem Empfangsschallwandler 15 in ein elektrisches Signal gewandelt. Der Empfangsschallwandler 15, der in gleicher Weise ausgebildet ist wie der Sendeschallwandler 5, also als Piezo-Schwingerplättchen, ist ebenfalls mit der schrä­ gen Flanke 16 einer Nut 17 im Rohr 1 mittels einer Schallkopp­ lungsmittelschicht 18 fest verbunden. Er ist in gleicher Weise aus einem piezoelektrischen Kristall 6′ und Elektroden 7′, 8′ aufgebaut wie der Sendeschallwandler 5. Die Nut 17 liegt dabei der Nut 10 zentriert gegenüber und der Empfangsschallwandler 15 an der Nutflanke 16 ist in gleicher Weise auf den Meßbereich B ausgerichtet, wie der Sendeschallwandler 5. Die Nut 17 ist eben­ falls durch Einkerben des Rohres 1 an der betreffenden Seite gebildet.

Das vom Empfangsschallwandler 15 erzeugte elektrische Signal wird in einem Verstärker 19 verstärkt. In einem Mischer 20 folgt die Differenzbildung zwischen Leitfrequenz und Empfangsfrequenz, die dann die Doppler-Frequenz ergibt. Das gebildete Doppler- Meßsignal wird über den nachgeschalteten Fourier-Analysator 21 auf einem Display 22 zur Anzeige gebracht.

Die Nutflanken 9 und 16, die an einander diametral gegenüberlie­ genden Seiten an der Außenwand des Meßrohres 1 angebracht sind, bilden also ebene Flächen, die in Strömungsrichtung 2 von innen nach außen verlaufen, und zwar mit einem Winkel, der dem Ein­ strahlwinkel Alpha entspricht.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Meßrohr 1 einen sechsecki­ gen Querschnitt auf, wobei die Nuten 10 und 17 an den einander diametral gegenüberliegenden und zueinander parallelen Flächen 23, 24 des Sechsecks eingebracht sind. D.h. die ebene Innenwand­ fläche 25 bzw. 26, die der ebenen Fläche an der Außenwand, also der Nutflanke 9 bzw. 16 zugewandt ist und die Nutflanke 9 bzw. 16 schneiden sich mit einem Winkel, der dem Einstrahlwinkel Alpha entspricht.

Da die Innenwandflächen 25, 26 des Meßrohres 1 eben, also nicht gekrümmt sind, ist eine Streuung des gebündelten Ultraschall­ strahls 12 beim Durchtritt durch die Rohrwand vom Sendeschall­ wandler 5 in die Flüssigkeit und beim Durchtritt durch die Rohr­ wand von der Flüssigkeit zum Empfangsschallwandler 15 verhin­ dert.

Das Rohr 1 besteht aus einem Material mit einem E-Modul von mehr als 2500 M Pa und ist mit einer Innenauskleidung 27 versehen, die aus einem Material mit geringer Oberflächenenergie besteht, z. B. einem Fluorkohlenstoff-Polymeren und die im Bereich der Nuten 10, 17 eine Schichtdicke von weniger als 0,3 mm aufweist.

Nach Fig. 3 weist das Meßrohr 1 einen ovalen Querschnitt auf. Der Sende- und Empfangsschallwandler 5 bzw. 15 liegen dabei auf ebenen Flächen 28, 29 an der Außenseite des Rohres 1 auf. Die Innenwandflächen 30, 31, die den ebenen Flächen 28, 29 an der Außenwand zugewandt sind, sind ebenfalls als ebene Flächen aus­ gebildet.

Nach Fig. 1 bis 3 liegen die ebenen Flächen 9, 16 bzw. 28, 29, auf denen der Sendeschallwandler 5 bzw. der Empfangsschallwand­ ler koplanar aufliegt, einander gegenüber. D.h. sie sind in bezug auf den Rohrumfang um 180° versetzt. Dieser Winkel kann aber variieren. Voraussetzung ist nur, daß der Sendeschallwand­ ler 5 und der Empfangsschallwandler 15 auf das gleiche Schnitt­ volumen der Schallkeule ausgerichtet sind.

In Fig. 4 ist ein Meßrohr 1 mit quadratischem Querschnitt gezeigt, das einen Innendurchmesser d von z. B. 1,5 mm aufweist. Wie daraus ersichtlich, kann der Empfangsschallwandler 15 um 180° zum Sendeschallwandler 5 versetzt sein oder um 90° gemäß dem Empfangsschallwandler 15′, da in beiden Fällen Empfangs­ schallwandler 15 bzw. 15′ auf das Schnittvolumen der Schallkeule 31 ausgerichtet ist. D. h., die Schallkeule 31 ist durch ein Partikel 32 in der Strömung zum Empfangsschallwandler 15 bzw. 15′ reflektierbar.

Gemäß Fig. 4 kann also ein Empfangsschallwandler 15 oder 15′ vorgesehen sein oder zwei Empfangsschallwandler 15 und 15′. In letzterem Fall ist jeder Empfangsschallwandler 15 und 15′ an einen Mischer zur Erzeugung eines Differenzsignals aus Leitfrequenz und Empfangsfrequenz angeschlossen. Ferner ist ein dritter Mischer vorgesehen, der ein Differenzsignal aus dem Differenzsignal der an den ersten Mischer angeschlossenen ersten Empfangsschallwandler 15 und aus dem Differenzsignal des an den zweiten Mischer angeschlossenen Empfangsschallwandlers 15′ erzeugt. Durch die Differenzbildung der beiden Rauschspektren des ersten und des zweiten Mischers mit dem dritten Mischer wird der Hintergrund ausgeblendet und damit eine wesent­ liche Verbesserung des Nutz-/Störsignal-Verhältnisses erzielt.

Gemäß Fig. 2 und 4 verlaufen nicht nur die Innenflachen parallel zur Rohrlängsachse, sondern auch die Außenflächen des Prismas, wobei die Innen- und Außenflächen an jeder Seite des Prismas koplanar zueinander sind. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 2 ist jedoch bei der nach Fig. 4 keine Nut an der Außenseite vorgesehen, sondern der Sendeschallwandler 5 und der oder die Empfangsschallwandler 15, 15′ liegen planparallel auf den Außenflächen des Meßrohres 1 auf. Die Sendeschallwandler und Empfangsschallwandler 5 bzw. 15, 15′ sind dazu als plättchenförmige Piezoelemente ausgebildet, die den Ultraschall in einem vorgegebenen Winkel von z. B. 45° abstrahlen bzw. empfangen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung kleinerer Flüssigkeits- und Parti­ kelströme in einem Meßrohr mit kleinem Innenquerschnitt nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler-Prinzip mit einem Sende- und Empfangsschallwandler und einem an den Sende- und Empfangsschallwandler angeschlossenen Mischer zur Er­ zeugung des Differenzsignals aus Leitfrequenz und Empfangs­ frequenz, wobei der Sende- und Empfangsschallwandler plätt­ chenförmig ausgebildet sind und jeweils auf einer ebenen Fläche an der Außenwand des Meßrohres planparallel auflie­ gen, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Meßroh­ res (1) in dem Bereich, der der jeweiligen ebenen Fläche (9, 16; 28, 29) an der Außenwand zugewandt ist, ebenfalls als ebene Fläche (25, 26; 30, 31) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen (25, 26) an der Innenwand durch einen prismatischen Innenquerschnitt des Meßrohres (1) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenquerschnitt des Meßrohres (1) rechteckig, sechs­ eckig oder achteckig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Fläche (9, 16), auf der der Sendeschallwandler (5) bzw. der Empfangsschallwandler (15) aufliegt, durch die Flanke einer Nut (10, 17) in der Außenseite des Meßrohres (1) gebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeschallwandler (3) und Empfangsschallwandler (15) auf einer zur Rohrlängsachse parallelen ebenen Fläche an der Außenseite des Meßrohres (1) angeordnet und durch ein plättchenförmiges Piezoelement gebildet sind, das den Ultraschall in einem vorgegebenen Winkel abstrahlt bzw. empfängt.