DE4207031C2

DE4207031C2 - Device for measuring the flow of abrasive particles in fluids in a line

Info

Publication number: DE4207031C2
Application number: DE19924207031
Authority: DE
Inventors: Georg F Wagner
Original assignee: Schubert und Salzer Control Systems GmbH
Current assignee: Schubert und Salzer Control Systems GmbH
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: DE4207031A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strömungsmessung abrasiver Teilchen in einer Leitung nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler-Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for Flow measurement of abrasive particles in a line the high-frequency ultrasonic Doppler principle according to the Preamble of claim 1.

Derartige Ultraschall-Doppler-Strömungsmeßvorrichtungen sind bekannt (vgl. DE-GM 89 03 288; DD-Z: Messen, Steuern, Regeln, Berlin 31 (1988) 5, S. 232 bis 234; GB-Z: Medical and Biological Engineering, 1975, S. 59 bis 64).Such ultrasonic Doppler flow measuring devices are known (see DE-GM 89 03 288; DD-Z: measuring, controlling, Rules, Berlin 31 (1988) 5, pp. 232 to 234; GB-Z: Medical and Biological Engineering, 1975, pp. 59 to 64).

Dabei werden als Material für das Meßrohr Kunststoff oder Metall vorgeschlagen.Plastic or are used as the material for the measuring tube Metal proposed.

Gegenüber anderen Strömungsmeßverfahren, bei denen Blenden und dgl. Einrichtungen in der Strömung eingesetzt werden, ist die Strömungsmessung nach dem Ultraschall-Doppler- Prinzip eingriffsfrei, so daß es an sich auch zur Strömungsmessung von abrasiven, d. h. sehr harten, kantigen Teilchen, geeignet ist.Compared to other flow measurement methods in which orifices and similar devices are used in the flow, is the flow measurement after the ultrasonic Doppler Principle non-invasive, so that in itself it is also Flow measurement of abrasive, i.e. H. very hard, edgy Particle is suitable.

Wegen ihrer relativ geringen Härte und damit ihrem schnellen Verschleiß sind Kunststoffrohre zur Strömungsmessung von abrasiven Teilchen im allgemeinen ungeeignet. Ferner hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines Metallrohres, beispielsweise eines Eisenrohres, die mit Fourrier-Analyse ausgewerteten Differenzfrequenz- oder Dopplersignale eine geringe Höhe und große Breite aufweisen, also ein ungünstiges Nutz-Stör-Signal- Verhältnis, so daß die Meßgenauigkeit völlig unbefriedigend ist.Because of their relatively low hardness and therefore their Plastic tubes are used for rapid wear Flow measurement of abrasive particles in general not suitable. It has also been shown that when used a metal pipe, for example an iron pipe, the difference frequency or evaluated with Fourrier analysis Doppler signals have a small height and a large width have an unfavorable useful interference signal Ratio, so that the measurement accuracy is completely unsatisfactory is.

Das gleiche Problem tritt bei der Vorrichtung nach DE 89 03 288 U1 auf, die den Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, bei der das Meßrohr aus verschiedenen Stahllegierungen bestehen kann.The same problem occurs with the device according to DE 89 03 288 U1 on, which corresponds to the preamble of claim 1, where the measuring tube made of different steel alloys can exist.

Aus US 4 413 531 ist eine Vorrichtung zur Strömungsmessung abrasiver Schlämme in einer Leitung mit einem an die Leitung angeschlossenen Meßrohr nach dem Hochfrequenz- Ultraschall-Doppler-Prinzip mit einem außen am Meßrohr angeordneten Sende- und Empfangsschallwandler bekannt. Aus welchem Material das Meßrohr besteht, wird jedoch nicht angegeben. Ferner wird in der älteren Patentanmeldung nach DE 41 18 827 C1 eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vorgeschlagen, bei der das Meßrohr auch aus Stahl bestehen kann.From US 4,413,531 is a device for flow measurement abrasive sludge in a line with one to the Line connected measuring tube after the high frequency Ultrasonic Doppler principle with one on the outside of the measuring tube arranged transmit and receive sound converter known. Out what material the measuring tube is made of, however, is not specified. Furthermore, in the older patent application DE 41 18 827 C1 a device according to the preamble of Claim 1 proposed, in which the measuring tube also Steel can exist.

Die Bestimmung des Volumenstroms von Flüssigkeiten, die abrasive Teilchen enthalten, ist von großer Bedeutung.The determination of the volume flow of liquids that Containing abrasive particles is of great importance.

So müssen bei der Herstellung von Silicium-Wafern optimale geometrische Abmessungen (Planschliff) eingehalten werden, damit die anschließenden Arbeitsgänge, z. B. zur Chip- Herstellung, exakt durchgeführt werden können. Demgemäß werden Wafer einer Oberflächenbehandlung durch Läppen unterzogen.So when manufacturing silicon wafers, optimal geometric dimensions (face grinding) are observed, so that the subsequent operations, for. B. for chip Manufacturing, can be carried out exactly. Accordingly, become wafers for surface treatment by lapping subjected.

Der Läppmaschine wird im Kreislauf ein Läppmittel zugeführt, das aus einer wäßrigen Aufschlämmung harter Teilchen, dem sog. Läppkorn, besteht, meist feine Diamant- oder Korund-Teilchen mit einer Teilchengröße zwischen 0,1 und 30 µm.The lapping machine becomes a lapping agent in the circuit fed that hard from an aqueous slurry Particles, the so-called lapping grain, usually consist of fine diamond or corundum particles with a particle size between 0.1 and 30 µm.

Der Läpp-Prozeß ist von einer genauen Zufuhrmenge des Läppkorns in bestimmter Aufschlämmungskonzentration abhängig. Ein Absetzen der Läppkörner kann zur Verstopfung der Leitungen, also schnell zu einem Trockenlauf der Maschine führen und damit zur Beschädigung der Maschine und der mit ihr hergestellten Teile. Ferner ändert sich die Auschlämmkonzentration des im Kreislauf geführten Läppmittels mit der Zeit, beispielsweise durch Verdunstung. Der stetige Umlaufbetrieb des Läppkorns führt aber zu einer höheren Konzentration und zu einem höheren Abrieb der Stellorgane, Stauscheiben und dgl. Einrichtungen im Läppmittelkreislauf. Demgemäß besteht seit langem ein großes Bedürfnis, die Zufuhrmenge des Läppkorns bzw. bei vergleichbaren Oberflächenfeinbearbeitungsverfahren, wie dem Honen, Schleifen oder Polieren, die Zufuhr des entsprechenden Mittels exakt zu überwachen bzw. zu regeln. Dies wird bisher ausschließlich durch menschliche Erfahrung und Beobachtungsgabe durchgeführt. Eine Meßvorrichtung zur Bestimmung des Feststoffgehaltes, also z. B. der Läppkornkonzentration, die im allgemeinen 25 bis 30% beträgt, gibt es demgegenüber nicht. Das besondere einer Überwachung eines Läppmittels besteht also auch darin, daß nicht die Strömungsgeschwindigkeit der Aufschlämmung als solche gemessen wird, sondern die Feststoffpartikel gezählt werden müssen.The lapping process is based on an exact supply quantity of the Lapping grain in a certain slurry concentration dependent. Lapping the lapping grains can lead to constipation the lines, so quickly to a dry run Lead machine and thus damage the machine and the parts made with it. Furthermore, the Sludge concentration of the circulated Lapping agents over time, for example by evaporation. The constant circulating operation of the lapping grain leads to one higher concentration and higher abrasion Actuators, baffle plates and the like Läppmittelkreislauf. Accordingly, there has been a long time great need, the supply amount of lapping grain or at comparable surface finishing processes, such as honing, grinding or polishing, the supply of the to monitor or regulate the corresponding means exactly. So far this has only been through human experience and observation skills. A measuring device for Determination of the solids content, e.g. B. the Lapping grain concentration, which is generally 25 to 30% on the other hand, does not exist. The special one Monitoring a lapping agent also consists in the fact that not as the flow rate of the slurry such is measured, but the solid particles are counted Need to become.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei der Mengenbestimmung einer punktweise oder als Raupe aufgetragenen Lötpaste, z. B. aus Zinn, Zink, Blei, Aluminium oder Silber.Similar problems arise when determining the quantity a solder paste applied point by point or as a bead, e.g. B. made of tin, zinc, lead, aluminum or silver.

Weiterhin kommen in der Lampenindustrie Aufschlämmungen aus Feinstkeramik in Wasserglas oder dgl. Flüssigkeiten zum Einsatz, die in genauen Kleinstmengen aufgetragen werden müssen. Auch für solche Lötpasten und Feinstkeramikaufschlämmungen gibt es bisher keine brauchbaren Meßvorrichtungen.In the lamp industry, slurries also come out Fine ceramics in water glass or similar liquids for Use that are applied in exact small quantities have to. Also for such solder pastes and There are no very fine ceramic slurries usable measuring devices.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine genaue und zuverlässige Vorrichtung zur Strömungsmessung abrasiver Teilchen zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is therefore to provide an accurate and reliable device for flow measurement abrasive To provide particles.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.This is according to the invention with that in claim 1 marked device reached. In the Advantageous embodiments of the Invention reproduced.

Der Doppler-Effekt in Flüssigkeiten und anderen Fluiden beruht darauf, daß Teilchen in dem Fluid in einem gebündelten Schallstrahl aufgrund ihrer Relativbewegung zwischen Sende- und Empfangsschallwandler eine Frequenzverschiebung (die Doppler-Frequenz) nach der Reflektion (Echo) des Schallstrahls erzeugen. In einem gewöhnlichen Rohr mit geringem Innendurchmesser bewegen sich die Teilchen in dem Flüssigkeitsstrom jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, je nachdem, ob sie in der Mitte oder an der Rohrwand entlangströmen. Demgemäß wird das Doppler-Meßsignal-Spektrum aus vielen verschiedenen Differenzfrequenzen gebildet, so daß ein relativ breites, niedriges Meßsignal mit einem entsprechend niedrigen Nutz/Störsignal-Verhältnis entsteht.The Doppler effect in liquids and other fluids relies on particles in the fluid in one bundled sound beam due to their relative movement between transmitters and receivers Frequency shift (the Doppler frequency) after the Generate reflection (echo) of the sound beam. In one Move ordinary tube with a small inner diameter the particles in the liquid flow, however different speed depending on whether they're in flow along the middle or along the pipe wall. Accordingly, the Doppler measurement signal spectrum is made up of many different difference frequencies formed, so that a relatively wide, low measurement signal with a corresponding low useful / interference signal ratio arises.

Wenn es gelänge, den Teilchen eine gleichmäßige Geschwindigkeit über den Rohrquerschnitt zu verleihen, würde sich also ein scharfes Meßsignal, d. h. ein Linienspektrum, ergeben und damit eine genaue und empfindliche Messung kleiner Flüssigkeitsströme in Rohren mit kleinem Durchmesser ermöglicht.If it succeeded, the particles would be even To impart speed across the pipe cross-section, would a sharp measurement signal, d. H. on Line spectrum, result and thus an accurate and sensitive measurement of small liquid flows in pipes with a small diameter.

Ein wesentlicher Grund für die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der Partikel bildet die Reibung, auch der Trägerflüssigkeit, an der Rohrwand. Bei einer laminaren Strömung geht die Strömungsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit und damit der in ihr suspendierten Streuteilchen im Bereich der Rohrwand nahezu auf Null zurück.An essential reason for the different Particle flow velocities form the friction, also the carrier liquid, on the pipe wall. At a laminar flow is the flow rate of the Carrier liquid and thus that suspended in it Scattering particles in the area of the pipe wall almost to zero back.

Wie sich gezeigt hat, hat ein Eisenrohr - gegenüber einem Kunststoffrohr - bei gleichem Durchmesser ein wesentlich ungünstigeres Strömungsgeschwindigkeitsprofil im Hinblick auf die Gewinnung eines Spektrums mit scharfen Peaks, dies ist vermutlich darin begründet, daß ein Eisenrohr gegenüber einem Kunststoffrohr eine relativ rauhe Innenwandoberfläche aufweist, die in Rohrwandnähe langsamer fließende Flüssigkeitsschichten mit einer Stärke von 1 bis 2 mm erzeugt. Dies fällt zwar bei einem Innendurchmesser des Meßrohres von 10 mm oder mehr nicht so sehr ins Gewicht, ist jedoch bei einem Innendurchmesser des Rohres von 5 mm oder weniger von erheblicher Bedeutung.As has been shown, an iron pipe has - opposite one Plastic pipe - essential for the same diameter less favorable flow velocity profile with regard on obtaining a spectrum with sharp peaks, this is probably due to the fact that an iron pipe is opposite a relatively rough inner wall surface has the slower flowing near the pipe wall Liquid layers with a thickness of 1 to 2 mm generated. This falls with an inner diameter of the Measuring tube of 10 mm or more not so much in weight, is however with an inner diameter of the tube of 5 mm or less significant.

Wie Versuche mit einem Meßrohr aus Eisen mit einem Innendurchmesser von 3 mm gezeigt haben, das unter erheblichem Aufwand innen glattpoliert worden ist, wird auch durch die glatt polierte Innenoberfläche kein wesentlich günstigeres Strömungsgeschwindigkeitsprofil erzeugt, was mit der Oberflächenenergie von Eisen zusammenhängt.Like experiments with an iron measuring tube with a Have shown inner diameter of 3 mm, the under considerable effort has been polished inside also because of the smooth polished inner surface much cheaper flow velocity profile generates what with the surface energy of iron related.

Noch schlechtere Ergebnisse wurden mit handelsüblichen, warmverformten Stahlrohren erhalten.Even worse results were obtained with commercially available, preserved hot-formed steel pipes.

Völlig überraschend hat sich nun gezeigt, daß bei Verwendung eines Meßrohres aus Stahl, der nicht warm-, sondern kaltverformt worden ist, ein Spektrum mit scharfen Peaks erhalten wird, und zwar selbst bei einem Innendurchmesser des Rohres von weniger als 3 mm und sogar von weniger als 2 mm.Completely surprisingly, it has now been shown that at Use a steel measuring tube that is not hot, but has been cold worked, a spectrum with sharp Peaks is obtained, even at one Inner diameter of the tube of less than 3 mm and even less than 2 mm.

Die Ursache dafür ist zwar nicht ganz klar. Möglicherweise hängt dies jedoch damit zusammen, daß kaltverformter Stahl von vorneherein eine geringere Rauhtiefe aufweist als warmverformter Stahl. So wurde festgestellt, daß die Rauhtiefe eines kaltverformten Stahlrohres weit unter 1 µm liegt.The reason for this is not entirely clear. possibly this is related to the fact that cold-formed steel has a lower roughness from the outset than hot-formed steel. It was found that the Roughness depth of a cold-formed steel tube well below 1 µm lies.

Das Kristallisationsgefüge im Stahl wird durch die Kaltverformung, also z. B. durch Kaltziehen stärker zerstört als in einem warmverformten Stahlrohr. Kristalle im Stahl führen aber zu einer Zerstrahlung des gebündelten hochfrequenten Ultraschallstrahls und damit zu einem entsprechend großen "Rauschen" oder Störsignal, so daß sich schlecht verwertbare Peaks ergeben. Besonders gute Ergebnisse konnten mit kaltgezogenen Rohren aus Chrom- Nickel-Stahl festgestellt werden, insbesondere die Stahlsorten nach DIN Werkstoff-Nr. 1.4301, 1.4305 und 1.4571.The crystallization structure in the steel is determined by the Cold forming, e.g. B. stronger by cold drawing destroyed than in a thermoformed steel pipe. crystals in the steel, however, lead to the bundle being destroyed high-frequency ultrasound beam and thus into one correspondingly large "noise" or interference signal, so that result in poorly usable peaks. Particularly good ones Results were obtained with cold drawn chrome Nickel steel can be found, especially the Steel grades according to DIN material no. 1.4301, 1.4305 and 1.4571.

Wie erwähnt, ist der Innendurchmesser des Meßrohres der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest im Meßbereich, also im Bereich der Schallkeule des Ultraschallsenders, relativ klein, vorzugsweise 3 mm oder weniger. As mentioned, the inside diameter of the measuring tube is device according to the invention at least in the measuring range, ie in the area of the sound beam of the ultrasonic transmitter, relative small, preferably 3 mm or less.

Je kleiner nämlich der Innendurchmesser des Rohres ist, um so größer ist die Meßkanalkonstante, d. h. die Auflösung. So ist bei einer Sendefrequenz von 10 MHz, z. B. die Konstante des Meßkopfes 5 Hz/mm/s. Diese Konstante ist unabhängig vom Durchmesser
The smaller the inside diameter of the tube, the greater the measuring channel constant, ie the resolution. So at a transmission frequency of 10 MHz, e.g. B. the constant of the measuring head 5 Hz / mm / s. This constant is independent of the diameter

Bei einem Innendurchmesser des Meßrohres von 3 mm ist die Dopplerfrequenz 5 Hz/mm, und bei einem Innendurchmesser von 1 mm 50 Hz/mm. Die Doppler-Frequenz f_D ergibt sich nämlich aus:
With an inner diameter of the measuring tube of 3 mm the Doppler frequency is 5 Hz / mm, and with an inner diameter of 1 mm 50 Hz / mm. The Doppler frequency f _D results from:

f_D = 2vf₀.cosα./c_M
f _D = 2vf ₀ .cosα. / c _M

worin bedeuten:
f₀ = Sendefrequenz
α = Einstrahlwinkel
v = Strömungsgeschwindigkeit der Streuteilchen im Bereich der Ultraschallkeule
c_M = Schallgeschwindigkeit im Meßkopf.in which mean:
f ₀ = transmission frequency
α = angle of incidence
v = flow velocity of the scattering particles in the area of the ultrasonic lobe
c _M = speed of sound in the measuring head.

Die Strömungsgeschwindigkeit v ist jedoch umgekehrt proportional zum Quadrat des Durchmessers des Rohres.However, the flow velocity v is reversed proportional to the square of the diameter of the pipe.

Bei der Strömungsmessung nach dem Ultraschall-Doppler- Prinzip beeinträchtigt eine laminare Strömung die Schärfe des Doppler-Meßsignales, da die laminare Strömung das bekannte im Querschnitt parabelförmige Geschwindigkeitsprofil mit der höchsten Geschwindigkeit in der Rohrmitte und der Geschwindigkeit Null an der Rohrwand ausbildet. Demgemäß muß die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr so eingestellt werden, daß eine turbulente Strömung entsteht, also eine Reynolds Zahl größer 2300, insbesondere größer 4000. Damit sich eine gleichmäßige turbulente Strömung im Rohr im Meßbereich einstellt, also im Bereich der Schallkeule des Ultraschallsensors, muß eine ausreichend lange Vorlaufstrecke vor dem Meßbereich mit dem gleichen Innendurchmesser wie der Meßbereich vorgesehen sein. Wie sich gezeigt hat, soll diese Vorlaufstrecke mindestens das Zehnfache des Durchmessers des Rohres betragen.When measuring flow according to the ultrasonic Doppler In principle, a laminar flow affects the sharpness of the Doppler measurement signal, since the laminar flow known parabolic in cross section Speed profile with the highest speed in the pipe center and zero speed on the pipe wall formed. Accordingly, the flow rate in the Measuring tube can be adjusted so that a turbulent flow arises, i.e. a Reynolds number greater than 2300, in particular greater than 4000. So that there is an even turbulent Flow in the tube sets in the measuring range, i.e. in the range the sonic lobe of the ultrasonic sensor must be one sufficiently long lead distance before the measuring range with the same inner diameter as the measuring range his. As it has been shown, this lead route at least ten times the diameter of the tube be.

Die Leitung, an die das Meßrohr angeschlossen ist, weist jedoch im allgemeinen einen größeren Innendurchmesser auf. Sie wird i. a. durch ein Rohr gebildet, kann aber z. B. auch ein Schlauch sein. Erfindungsgemäß verjüngt sich deshalb vorzugsweise der Innenquerschnitt des Meßrohres vom Meßrohrende, an das die Leitung angeschlossen ist, zu der Vorlaufstrecke mit dem kleinen Innendurchmesser gleichmäßig, beispielsweise indem sich die Rohrinnenwand von der Vorlaufstrecke zu dem Meßrohrende trompetenförmig erweitert. Bei einer sprunghaften Änderung des Innendurchmessers wird nämlich nicht nur eine Kante gebildet, die einem erhöhten Verschleiß unterliegt, sondern es entsteht auch eine Ecke zwischen dem Innenumfang mit größerem Durchmesser und der Stirnfläche, in der die Vorlaufstrecke mit dem kleineren Innendurchmesser mündet. Diese Ecke bildet einen Totraum und führt zu einem schnellen Zusetzen der Mündung der Vorlaufstrecke. Darüberhinaus können sich in dieser Ecke Gasblasen ansammeln, die in Form von Bläschen mit dem Flüssigkeitsstrom mitgerissen werden können. Diese Bläschen können zu erheblichen Störungen führen, beispielsweise wenn mit einer Lötpaste eine Raupe aufgetragen und diese Raupe durch ein solches Bläschen unterbrochen wird.The line to which the measuring tube is connected points however, generally has a larger inner diameter. It will i. a. formed by a tube, but can e.g. B. also be a hose. According to the invention tapers therefore preferably the inner cross section of the measuring tube from End of the measuring tube to which the line is connected to Lead section with the small inside diameter evenly, for example by the inside wall of the pipe trumpet-shaped from the lead to the end of the measuring tube extended. In the event of a sudden change in the The inside diameter is not just an edge formed, which is subject to increased wear, but there is also a corner between the inner circumference larger diameter and the face in which the Lead section with the smaller inside diameter opens. This corner forms a dead space and leads to one rapid clogging of the mouth of the lead section. In addition, gas bubbles can form in this corner accumulate in the form of bubbles with the Liquid flow can be carried away. These bubbles can lead to significant disturbances, for example if applied a caterpillar with a solder paste and this caterpillar is interrupted by such a bubble.

Der Sendeschallwandler und der Empfangsschallwandler werden vorzugsweise in Form von piezoelektrischen Schwingerplättchen eingesetzt. Diese Plättchen werden auf einem Keil befestigt, der einen dem Einstrahlwinkel Alpha entsprechenden Keilwinkel aufweist und mit seiner anderen Fläche auf dem Rohr angeordnet ist. Der Keil besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff mit einem E-Modul von mehr als 2500 MPa, beispielsweise Polymethylmethacrylat oder Polysulfon. Das Rohr ist dazu an dieser Stelle plan abgeschliffen.The transmit transducer and the receive transducer preferably in the form of piezoelectric Schwinger plates used. These tiles are on a wedge attached to the angle of incidence alpha has the corresponding wedge angle and with its other Surface is arranged on the tube. The wedge is there preferably made of a plastic with a modulus of elasticity more than 2500 MPa, for example polymethyl methacrylate or polysulfone. The pipe is flat at this point abraded.

Um einen ovalen Rohrquerschnitt zu erhalten, d. h. einen Querschnitt, bei dem sowohl die beiden planen Außenflächen wie zwei gegenüberliegende plane Innenflächen des Rohres die beiden geraden Längsseiten des Ovals bilden, ist es ferner vorteilhaft, das Rohr zu einem Oval zusammenzudrücken. Wenn die Außen- und die Innenfläche der Rohrwandung nämlich kreisförmig ausgebildet sind, ergeben sich zusätzliche Probleme mit der Schallfeldgeometrie. Denn diese ist meist gerade und mangels Leistungsabgabe beim Sender- bzw. geringer Empfindlichkeit beim Empfänger- Sensorelement größer als erforderlich konstruktiv ausgeführt. Damit kommt es zu unterschiedlichen Brechungen des Schallstrahls, d. h. zu einer Zerstreuung der Schallkeule, die daher schlechter ausgewertet werden kann. Bei einer planen Außenfläche und insbesondere bei einem ovalen Querschnitt des Meßrohres sind diese Probleme beseitigt, da ebene Einstellflächen gebildet werden.To get an oval tube cross-section, i. H. one Cross section in which both the two plan outer surfaces like two opposite flat inner surfaces of the tube it is the two straight long sides of the oval further advantageous to turn the tube into an oval compress. If the outer and inner surface of the Pipe wall are namely circular, result there are additional problems with the sound field geometry. Because This is usually straight and due to the lack of power Transmitter or low sensitivity in the receiver Design sensor element larger than required executed. This leads to different refractions the sound beam, d. H. to disperse the Sonic club, which is therefore difficult to evaluate. With a flat outer surface and especially with one oval cross section of the measuring tube are these problems eliminated since flat adjustment surfaces are formed.

Zugleich lassen sich zwei parallele Flächen relativ leicht erhalten, wenn ein kreisrundes Rohr zusammengequetscht wird. Damit wird ein problemlos herstellbarer Übergang zum kreisrunden Querschnitt gebildet, der an den Meßrohrenden notwendig ist, da die Leitung, in die das Meßrohr angeschlossen wird, i. a. einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Es ist allerdings nicht so ohne weiteres möglich, ein kreisrundes Stahlrohr so zusammenzuquetschen, daß zwei einander gegenüberliegende planparallele Seiten gebildet werden. Denn aufgrund der Eigenelastizität neigt ein solches zusammengequetschtes Stahlrohr dazu, wenn es eine besonders dünne Wandstärke von weniger als 0,5 mm besitzt, sich nach außen oder innen zu verformen. Es ist dann zweckmäßig, das Meßrohr mit einem anschließend entfernbaren Feststoff, z. B. einem löslichen Material, wie Kochsalz, auffüllen und ggf. verschließen, bevor es z. B. mit einer Presse oder im Schraubstock zusammengequetscht wird. Alsdann wird der Feststoff entfernt, also z. B. das Kochsalz herausgelöst.At the same time, two parallel surfaces are relatively easy obtained when a circular tube is squeezed together becomes. This will be a transition to circular cross section formed at the measuring tube ends is necessary because the line into which the measuring tube is connected, i. a. a circular cross section having. However, it is not so easily possible to squeeze a circular steel tube so that two mutually opposite plane-parallel sides are formed become. Because due to the inherent elasticity tends to such crimped steel pipe, if there is one has a particularly thin wall thickness of less than 0.5 mm, to deform outwards or inwards. It is then expedient, the measuring tube with a subsequently removable Solid, e.g. B. a soluble material such as table salt, fill up and, if necessary, close before z. B. with a Press or squeezed in a vice. Then the solid is removed, e.g. B. that Salt dissolved.

Ferner ist es wichtig, daß der Abstand zwischen dem Meßbereich, in welchem der Doppler-Effekt erzeugt wird, und dem Meßrohrauslauf höchstens das Zwanzigfache, vorzugsweise höchstens das Fünffache des Rohrinnendurchmessers im Meßbereich beträgt. Bei einem größeren Abstand zwischen dem Meßbereich und dem Rohrauslauf treten nämlich durch den Staudruck Rückwirkungen im Meßbereich auf, die die Ausbildung einer gleichmäßigen turbulenten Strömung im Bereich der Schallkeule beeinträchtigen können.It is also important that the distance between the Measuring range in which the Doppler effect is generated, and the measuring tube outlet at most twenty times, preferably at most five times the inside diameter of the pipe Measuring range is. With a larger distance between the Measuring range and the pipe outlet pass through the Back pressure effects in the measuring range on the Formation of a uniform turbulent flow in the Can affect the area of the sound lobe.

Die Stärke des Rohres hängt im wesentlichen vom Innendruck ab. Eine Wandstärke von 0,5 bis 2 mm im Bereich des Sende- und Empfangsschallwandlers ist jedoch im allgemeinen ausreichend, und zwar bei einem Druck von 10 bar und mehr.The thickness of the pipe depends essentially on the internal pressure from. A wall thickness of 0.5 to 2 mm in the area of the transmission and receive transducer in general sufficient, namely at a pressure of 10 bar and more.

Das Meßrohr der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ganz aus kaltverformtem Stahl bestehen, jedoch auch einen konzentrischen Aufbau aufweisen, z. B. eine Außenschicht aus einem Kunststoff und eine Innenschicht aus Stahl. Wichtig ist nur, daß die Rohrinnenwand aus Stahl besteht im Hinblick auf die Abrasivität der Teilchen.The measuring tube of the device according to the invention can be made entirely cold-formed steel exist, but also one have concentric structure, e.g. B. an outer layer made of plastic and an inner layer made of steel. It is only important that the inner tube wall is made of steel With regard to the abrasiveness of the particles.

Die abrasiven Teilchen, deren Strömung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt werden kann, können insbesondere Keramikteilchen oder Diamantteilchen sein. Bei den Keramikteilchen kann es sich dabei um Oxid- Keramikteilchen, wie Korund-Teilchen (Al₂O₃), oder um Nicht-Oxid-Keramikteilchen, wie Wolfram-Karbid-Teilchen, handeln. Die Korngröße der Keramikteilchen kann dabei weniger als die Hälfte, ja weniger als 10% der Wellenlänge des Ultraschalls betragen, die bei 10 MHz beispielsweise 0,2 mm beträgt. D. h., es können Teilchen mit einer Teilchengröße von weniger als 0,02 mm, ja selbst unter 3 µm bei dieser Sendefrequenz gemessen werden.The abrasive particles, the flow of which can be determined with the device according to the invention, can in particular be ceramic particles or diamond particles. The ceramic particles can be oxide ceramic particles, such as corundum particles (Al ₂ O ₃ ), or non-oxide ceramic particles, such as tungsten carbide particles. The grain size of the ceramic particles can be less than half, even less than 10% of the wavelength of the ultrasound, which is 10 mm at 10 MHz, for example. This means that particles with a particle size of less than 0.02 mm, even less than 3 µm, can be measured at this transmission frequency.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Strömungsmessung von Aufschlämmungen aus Korund- oder Diamantpulver, wie sie zum Läppen, Honen und Polieren verwendet werden, geeignet. Ferner zur Messung des Volumenstroms einer Lötpaste oder einer Aufschlämmung aus Quarzkeramik mit Wasserglas, wie sie in der Lampenindustrie zum Verbinden von Quarzglas mit einem Keramiksockel verwendet wird.The device according to the invention is in particular for Flow measurement of slurries made of corundum or Diamond powder as used for lapping, honing and polishing be used, suitable. Furthermore for measuring the Volume flow of a solder paste or a slurry Quartz ceramic with water glass, as used in the lamp industry for connecting quartz glass with a ceramic base is used.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:The invention is based on the drawing explained. In it show:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Meßrohr mit einem Blockschaltbild der Ultraschall-Doppler- Meßvorrichtung; und1 shows a longitudinal section through a measuring tube with a block diagram of the ultrasonic Doppler measuring device. and

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Meßrohr entlang der Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a cross section through the measuring tube along the line II-II in FIG. 1.

Gemäß Fig. 1 strömt durch ein Meßrohr 1 eine flüssige Aufschlämmung in Richtung des Pfeiles S. Das Meßrohr besteht aus Stahl und weist eine Länge von beispielsweise 5 bis 10 cm auf.Referring to FIG. 1 flows through a measuring tube 1 a liquid slurry in the direction of arrow S. The measuring tube is made of steel and has a length of, for example 5 to 10 cm.

Im mittleren Bereich sind an einander gegenüberliegenden Seiten des Meßrohres 1 plan abgeschliffene Außenflächen 2 und 3 vorgesehen. Auf den Außenflächen 2 und 3 sind Kunststoffteile 4 und 5 befestigt. Auf den Außenseiten der Kunststoffteile 4 und 5 ist ein Sendeschallwandler bzw. ein Empfangsschallwandler in Form eines piezoelektrischen Schwingerplättchens 6 bzw. 7 angeordnet. Die Wandstärke des Rohres 1 beträgt an der dünnsten Stelle im Bereich der planen Außenfläche 2 und 3 z. B. 0,3 bis 2 mm. Der Innendurchmesser d des Rohres 1 beträgt in diesem Bereich z. B. 0,5 bis 3 mm. In the central region of the measuring tube 1 are provided plan beveled outer faces 2 and 3 on opposite sides. Plastic parts 4 and 5 are fastened to the outer surfaces 2 and 3 . A transmission sound transducer or a reception sound transducer in the form of a piezoelectric transducer plate 6 or 7 is arranged on the outer sides of the plastic parts 4 and 5 . The wall thickness of the tube 1 is at the thinnest point in the area of the flat outer surface 2 and 3 z. B. 0.3 to 2 mm. The inner diameter d of the tube 1 is z in this area. B. 0.5 to 3 mm.

Gemäß Fig. 2 weist das Meßrohr im Meßbereich 8, also im Bereich der piezoelektrischen Schwingerplättchen 6 und 7 einen ovalen Querschnitt auf, d. h. nicht nur die Außenflächen 2 und 3 sind plan ausgebildet, sondern auch die Innenflächen 9 und 10.Referring to FIG. 2, the measuring tube in the measuring region 8, ie in the area of the piezoelectric vibrating plates 6 and 7 have an oval cross section, that is, not only the outer surfaces 2 and 3 are of plane, but also the inner surfaces 9 and 10.

Der kleine Innendurchmesser d des Rohres 1 erstreckt sich vom Meßbereich 8 über eine Vorlaufstrecke 11 und eine Nachlaufstrecke 12 in Richtung des einen bzw. anderen Meßrohrendes. An die Vorlaufstrecke 11 und die Nachlaufstrecke 12 schließt sich ein trompetenförmiger Abschnitt 13, 14 an, in dem sich der kleine Innendurchmesser d zu einem großen Innendurchmesser D allmählich erweitert, der etwa dem Innendurchmesser der Leitung entspricht, an die das Meßrohr 1 angeschlossen wird.The small inner diameter d of the tube 1 extends from the measuring area 8 over a leading section 11 and a trailing section 12 in the direction of one or the other end of the measuring tube. A trumpet-shaped section 13 , 14 adjoins the leading section 11 and the following section 12 , in which the small inside diameter d gradually widens to a large inside diameter D, which corresponds approximately to the inside diameter of the line to which the measuring tube 1 is connected.

Gemäß Fig. 1 liefert ein HF-Oszillator 15 mit einer Sendefrequenz von z. B. 1 bis 20 MHz die Ultraschall- Sendefrequenz, die von einem Verstärker 16 verstärkt dem Sendeschallwandler 6 zugeführt wird. Vom Sendeschallwandler 6 wird der Ultraschall 17 in einem Winkel Alpha gegenüber der Rohrlängsachse schräg in die Flüssigkeit in Strömungsrichtung S eingestrahlt. Im Meßbereich 8 wird der Ultraschall 17 an Streuteilchen im Fluid reflektiert und die reflektierte Strahlung 18, die aufgrund des Dopplereffekts durch die Bewegung der Streuteilchen in Richtung des Pfeiles S frequenzverschoben ist, wird vom Empfangsschallwandler 7 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das vom Empfangsschallwandler 7 erzeugte elektrische Signal wird in einem Verstärker 19 verstärkt, in einem Mischer 20 erfolgt die Differenzbildung von Leitfrequenz und Empfangsfrequenz, die dann die Doppler- Frequenz ergibt. Außerdem kann je nach Einsatzfall durch eine weitere Differenzbildung zwischen dem Sende- und Empfangssignal das Richtungssignal für eine vorwärts oder rückwärts strömende Flüssigkeit erzeugt werden. Bei Abgabevorrichtungen für sehr kleine Mengen, z. B. Ventile mit Rücksaugeffekt, kann somit die Menge richtig bestimmt werden: z. B. 20 µl vorwärts, 4 µl rückwärts, 16 µl echt dosierte Menge, z. B. einer Paste entspricht. Das gebildete Doppler-Meßsignal wird über den nachgeschalteten Fourrier- Analysator 21 von einem Display 22 zur Anzeige gebracht.Referring to FIG. 1, an RF oscillator 15 supplies a transmission frequency of z. B. 1 to 20 MHz, the ultrasound transmission frequency, which is amplified by an amplifier 16 , the transmit transducer 6 is supplied. The ultrasound 17 is radiated into the liquid in the flow direction S at an angle alpha with respect to the tube longitudinal axis by the transmitter sound transducer 6 . In the measuring range 8 , the ultrasound 17 is reflected by scattering particles in the fluid and the reflected radiation 18 , which is frequency-shifted due to the Doppler effect due to the movement of the scattering particles in the direction of the arrow S, is converted into an electrical signal by the receiving sound converter 7 . The electrical signal generated by the reception sound transducer 7 is amplified in an amplifier 19 , in a mixer 20 the difference between the master frequency and the reception frequency takes place, which then gives the Doppler frequency. In addition, depending on the application, the direction signal for a liquid flowing forwards or backwards can be generated by forming a further difference between the transmit and receive signals. For dispensers for very small quantities, e.g. B. valves with suck back effect, the amount can be determined correctly: z. B. 20 ul forward, 4 ul backward, 16 ul real dose, z. B. corresponds to a paste. The Doppler measurement signal formed is brought to a display 22 via the downstream Fourrier analyzer 21 .

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können einerseits Partikel in großer Zahl bestimmt werden, die dann bei gleichmäßiger Koinzidenz ein gleichförmiges Meß- und Empfangssignal abgeben und andererseits eine verschwindend geringe Anzahl von Feststoffpartikeln, die sich gegenüber dem fließenden Medium hinsichtlich ihrer Schallimpedanz abheben.On the one hand, with the device according to the invention Particles can be determined in large numbers, which then uniform coincidence a uniform measurement and Give receive signal and on the other hand a vanishing small number of solid particles that face each other the flowing medium with regard to its acoustic impedance take off.

Demgemäß kann die erfindungsgemäße Vorrichtung z. B. zur Messung und Überwachung der genauen Zufuhrmenge des Läppkorns in einem Läppmittel eingesetzt werden, aber auch zur Konzentrationsüberwachung der Feststoff-Aufschlämmung, oder einer Sprühlosung oder einer feststoffhaltigen Paste.Accordingly, the device according to the invention z. B. for Measurement and monitoring of the exact amount supplied Lapping grain can be used in a lapping agent, but also for monitoring the concentration of the solid slurry, or a spray solution or a paste containing solids.

Claims

1. Device for flow measurement of abrasive particles in a line with a measuring tube made of steel with a small inner diameter connected to the line according to the high-frequency ultrasound Doppler principle, with a transmitting and receiving sound transducer arranged on the outside of the measuring tube and with one at the transmitting and Receiving sound transducer on closed mixer to generate the difference frequency signal from the master frequency and receiving frequency, characterized in that the measuring tube ( 1 ) consists of cold-formed steel.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the steel is a chrome-nickel steel.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the roughness of the measuring tube ( 1 ) on the inside is less than 1 micron.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inner diameter (d) of the measuring tube ( 1 ) in the measuring area ( 8 ) is at most 4 mm.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the inner diameter (D) of the measuring tube ( 1 ) from the tube ends, which have the same inner diameter as the line to which the measuring tube ( 1 ) is connected, evenly on the Inner diameter (d) tapers, which the measuring tube ( 1 ) has in the measuring area ( 8 ).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring tube ( 1 ) in the measuring region ( 8 ) has flat ground outer surfaces ( 2 , 3 ) on which the receiving and transmitting transducers designed as piezoelectric transducer plates ( 6 , 7 ) are arranged are.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring tube ( 1 ) has an oval inner cross section, the long sides of the oval being formed by the opposing planar outer surfaces ( 2 , 3 ) and inner surfaces ( 9 , 10 ).

8. Application of the device according to one of the preceding Requirements for volume and particle measurement of Solder pastes and slurries, especially from Ceramic and diamond particles.