DE4216504C2 - Verfahren zur Messung des Volumenstroms von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Volumenstroms von Flüssigkeiten nach dem Hochfrequenz- Ultraschall-Doppler-Prinzip.

Dieses Verfahren wird z. B. in DD-Z: "Messen, Steuern, Regeln", Berlin 31, (1988), 5, Seite 232 bis 234 beschrieben. Es ist nur dann anwendbar, wenn die Flüssigkeit Reflektoren enthält. Wie in dieser Literaturstelle festgestellt wird, versagt das Meßverfahren aber auch dann, wenn "zu kleine" Streuteilchen verwendet werden.

Aus EP 0 387 728 A1 ist es bekannt, den Volumenstrom eines Cyanoacrylat-Klebstoffs oder eines anaeroben Klebstoffs nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler-Prinzip zu messen. Weder Cyanoacrylat- noch anaerober Klebstoff enthalten aber Feststoffe, die als Reflektoren wirken können. Es wird deshalb die Auffassung vertreten, daß sich in diesen Klebstoffen größere Molekülaggregate bilden, die als Reflektoren wirken, also sehr kleine "Streuteilchen", die nach der vorstehend genannten Literaturstelle gar nicht reflektieren sollten.

Wie nunmehr festgestellt werden konnte, wirken nicht solche Molekülaggregate, sondern winzige Gasbläschen in Cyanoacrylat- und anaeroben Klebstoffen als Reflektoren, die bei der Herstellung, beim Abfüllen oder dgl. eingeschleppt worden sind. Es kommt jedoch häufig vor, daß bei diesen Klebstoffen aus unerfindlichen Gründen die Volumenstrom- Messung nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip versagt.

Das gleiche Problem tritt auf, wenn, wie aus JP-1-138417 A und JP 54-121769 A bekannt, bei der Messung des Volumenstroms von Flüssigkeiten nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler- Prinzip der Flüssigkeit vor der Messung Luftblasen als Re­ flektorteilchen zugesetzt bzw. solche Luftblasen in der Flüs­ sigkeit erzeugt werden. Ferner ist es aus GB 2032622 A grund­ sätzlich bekannt, dass bei auf dem Doppler-Prinzip beruhenden Durchfluß-Messverfahren die zu messende Flüssigkeit Reflekto­ ren enthalten muß, die die Form von Teilchen, Sedimenten, Bläschen oder anderen Massen innerhalb der Flüssigkeit haben und von der Flüssigkeit unterschiedliche akustische Impedan­ zen bilden. Die Bedeutung von Reflektoren in Durchflußmeßver­ fahren ergibt sich zudem aus DE 40 08 037 A1, DE 28 23 392 B2, US 4 690 002 und US 4 468 971.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem, ohne die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit spürbar zu beeinträchtigen, so deutliche Doppler-Signale erhalten werden, daß eine einwandfreie Volumenstrom-Messung nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler-Prinzip durchgeführt werden kann.

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

Wie nachgewiesen werden konnte, führen nur solche Feststoffe in geringer Menge und mit kleiner Teilchengröße zu deutlichen Doppler-Signalen, die aus einem spröden Material bestehen.

Unter Sprödigkeit versteht man die Eigenschaft von Festkörpern unter Beanspruchung zu zerbrechen. Das Bruchverhalten ist vom Elastizitätsmodul abhängig. Es hat sich gezeigt, daß Reflektorteilchen aus Feststoffen mit einem Elastizitätsmodul über 3000 N/mm², vorzugsweise über 4000 N/mm² als Reflektorteilchen geeignet sind, andere dagegen nicht.

So weisen z. B. Glas, Siliciumdioxid, Silikate, Metalloxide, Metallcarbonate und Metallsulfide, aber auch harte Kunststoffe, wie Polyethylen (HD), Kunststoff- Sintermaterialien, PVC hart und Polypropylen einen E-Modul von über 4000 N/mm² auf.

Graphit, Glimmer und Molybdändisulfid, die erfindungsgemäß ebenfalls als Reflektoren sehr gut geeignet sind, nehmen insoweit eine Sonderstellung ein, weil sie aus übereinander angeordneten, nur locker miteinander verbundenen Schichten bestehen und daher weich erscheinen. Tatsächlich ist jedoch die Härte von Graphit senkrecht zur Schichtebene sehr groß, nämlich so groß wie die von Diamant. Gleiches dürfte für Glimmer und Molybdändisulfid gelten.

Die Zahl der Teilchen in der Flüssigkeit hängt von der geforderten Meßgenauigkeit des Volumenstroms ab. Im allgemeinen sind jedoch 2 bis 10 Teilchen pro Mikroliter bzw. Volumeneinheit Flüssigkeit ausreichend, wenn die Genauigkeit der Volumenstrommessung 1 µl bzw. eine Volumeneinheit beträgt. D. h., bei einer maximalen Größe der Teilchen von 10 µm und einem spezifischen Gewicht der Teilchen von beispielsweise 2 g/cm³ beträgt z. B. die Menge der Teilchen weniger als 1 g pro Liter Flüssigkeit, wenn eine Genauigkeit von 1 µ pro Liter eingehalten werden soll. Damit ist nicht nur die Größe der Teilchen, sondern auch deren Menge in der Flüssigkeit vernachlässigbar, was die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit betrifft.

Voraussetzung ist eine statistische gleichmäßige Verteilung der Reflektorteilchen. Ein Problem ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daraus, daß die Teilchen ein spezifisches Gewicht besitzen müssen, das annähernd dem spezifischen Gewicht der Flüssigkeit entspricht, da sonst eine mehr oder weniger schnelle Entmischung eintritt.

Dieses Problem kommt jedoch bei hochviskosen Flüssigkeiten, d. h. Flüssigkeiten mit einer Viskosität von 2000 mPa.s und mehr, insbesondere bei thixotropen, also tropffest eingestellten Flüssigkeiten, vor allem bei thixotrop eingestellten Klebstoffen, wie Cyanoacrylat-Klebstoff oder anaerober Klebstoff, Epoxy-Klebstoff oder Gießharzen, wie Polyurethan-Gießharzen oder Styrol-Harzen, Silikonen, Öl, Fett, Dichtmitteln und dgl. nicht zum Tragen. Demgemäß ist das erfindungsgemäße Verfahren vor allem zur Messung des Volumenstroms von Klebstoffen geeignet, und zwar besonders für Klebstoffe, die eine hohe Viskosität besitzen, also z. B. für Cyanoacrylate oder Epoxy-Harze, ferner Gießharze mit Ein- und Zweikomponenten (Harz und Härter), Silikone, Dichtmittel, Polyurethan-Gießharze und -kleber, Styrol-Harze, sowie Pasten und Cremes.

Wenn die Viskosität der Flüssigkeit weniger als 2000 mPa.s beträgt, kann einer Entmischung auch durch eine entsprechend kleine Teilchengröße bzw. ein entsprechend kleines Gewicht der Teilchen entgegengewirkt werden. So ist bei einer Teilchengröße von 1 bis 5 µm und einem spezifischen Gewicht der Teilchen von 1,5 bis 3,5 g/cm der Volumenstrom einer Flüssigkeit mit einer Viskosität ab 1 mPa.s nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig meßbar, jedenfalls innerhalb eines Zeitraums von z. B. 4 bis 5 h nach dem Vermischen der Reflektorteilchen. Danach können die Reflektorteilchen durch Schütteln oder mit einer Rühreinrichtung erneut in der Flüssigkeit gleichmäßig vermischt werden.

Insbesondere bei weniger hochviskosen Flüssigkeiten können die Reflektorteilchen auch durch Zugabe eines Dispergieraddi­ tivs im dispergierten Zustand erhalten werden. Darunter sind solche Substanzen zu verstehen, die die Oberflächenladung der Reflektorteilchen beeinflußen oder die Grenzflächenspannung an der Grenzfläche Flüssigkeit/Reflektorteilchen reduzieren. Als Dispergieradditive haben sich insbesondere Polysiloxane als geeignet erwiesen. Damit wird der Schwebezustand der Teilchen zumindest deutlich verlängert bzw. die Eindickung des Bodensatzes vermindert.

Ein besonders geeigneter Zusatzstoff, insbesondere für Cyanoacrylat-Klebstoffe stellt Gasruß dar. Wenige Milligramm Gasruß pro Liter Klebstoff reichen aus, um scharfe Doppler- Signale zu erzeugen. Gasruß zeichnet sich durch eine sehr geringe Teilchengröße von 10 bis 30 nm aus.

Als geeignete Reflektoren haben sich ferner Flammruß, gasgefüllte Mikroballons, insbesondere Glas-Mikroballons, die einen Durchmesser von ca. 10 bis 70 µm aufweisen, erwiesen. Glas-Mikroballons besitzen dabei den Vorteil, daß sie elektrisch isolierend sind, also die dielektrischen Eigenschaften der betreffenden Flüssigkeit nicht beeinträchtigen, was insbesondere für Vergußmassen, die elektrisch isolierend sind, von Bedeutung ist. Allerdings ist auch die Zugabe von Ruß in Mengen unter 5‰ (Promille) elektrisch unbedeutend.

Einen weiteren geeigneten Zusatzstoff stellen Perlglanzpigmente auf der Basis von Bleicarbonat bzw. Glimmer alleine oder mit einer Titandioxid-Beschichtung dar. Diese Pigmente können beispielsweise Holzleim zur Volumenstrommessung zugesetzt werden, da sie den zusätzlichen Vorteil besitzen, physiologisch unbedenklich zu sein, was bei Holzleim von großer Bedeutung ist, da er häufig für Holzspielzeug oder Bleistifte Verwendung findet.

Zur Messung des Volumenstroms von Silikonen und Klebstoffen ist ferner Kieselsäure als Reflektormaterial geeignet. Die Kieselsäure kann dabei hydrophile Kieselsäure, wie Fällungskieselsäure, oder hydrophobe Kieselsäure, wie Aerosil, sein. Für Cyanoacrylat-Klebstoff wird hydrophobe Kieselsäure i. a. vorgezogen, da hydrophile Kieselsäure durch die Restfeuchte zur Verklumpung des gemischten Cyanoacrylat- Klebstoffs neigt.

Hervorragende Reflektoren werden ferner durch Zeolithe gebildet, insbesondere wenn sie zur Volumenstrommessung von anaeroben Klebstoffen eingesetzt werden. Auch Ziegelton oder Kreide können eingesetzt werden.

Weitere geeignete Reflektormaterialien sind beispielsweise Chromoxid, Calciumcarbonat oder Molybdändisulfid, das vorzugsweise zu klaren Schmierölen zugemischt wird. Bei anaeroben Klebstoffen, UV-aushärtbaren Klebstoffen, insbesondere auf der Basis von Methacrylat und Cyanoacrylat, können als Reflektorteilchen auch Kunststoffteilchen, ggf. auch gefüllte Kunststoffteilchen, zugesetzt werden, die mit diesen Klebstoffen verträglich sind, also nicht zu einer vorzeitigen Aushärtung oder Verklumpung führen.

Da feste Teilchen bei einer Teilchengröße von 100 µm und mehr zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften des Klebstoffs führen können, und auch zu einem entsprechend dickeren Fügespalt, wird erfindungsgemäß die Teilchengröße vorzugsweise so eingestellt, daß sie weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5% der Wellenlänge (in der Flüssigkeit) der Ultraschallwellen des Senders beträgt. D. h., bei einer Sendefrequenz von 10 MHz führen Teilchen mit einer Größe von 3 µm zu einem einwandfrei meßbaren Doppler- Signal, bei einer entsprechenden Schallgeschwindigkeit (transversal) in der Flüssigkeit.

Die Schallhärte des Materials der Reflektorteilchen soll mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 20% größer sein als die Schallhärte der Flüssigkeit, um deutliche Doppler-Signale zu erhalten.

Die Schallhärte (Z) ist definiert durch

Z = σ . c,

worin σ die spezifische Dichte in g/cm und c die Schallgeschwindigkeit in cm/s ist.

Bei einer Dichte von 3,6 g/cm und einer Schallgeschwindigkeit c_long von 4260 m/s ist die Schallhärte
von Glas z. B. 15336 . 10³ Pa.s/m, von Polymethylmethacrylat (PMMA) (σ = 1,18 g/cm; c_long 2730 m/s) 3221 . 10³ Pa.s/m;
von PVC hart (σ = 1400 g/cm; c_long 2395 m/s) 3353 . 10³ Pa.s/m;
von Wasser (σ = 1,00 g/cm, c_long 1480 m/s) 1480 . 10³ Pa.s/m; und von Glycerin (σ = 1,30 g/cm, c_long 1920 m/s) 2496 . 10³ Pa.s/m. Die beispielhaft genannten Feststoffe Glas, PMMA und PVC hart würden in den Flüssigkeiten Wasser und Glycerin also zu deutlichen Doppler-Signalen führen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung des Volumenstroms von Flüssigkei­ ten nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-Doppler-Prinzip, bei dem der Flüssigkeit vor der Messung Reflektorteil­ chen zugesetzt werden, die aus einem spröden Material bestehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spröde Material einen Elastizitätsmodul von mehr als 3000 N/mm² aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorteilchen aus Graphit, Siliciumdioxid, Silikaten oder Metalloxiden, -carbonaten oder -sulfiden oder aus harten Kunststoffen gebildet sind.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorteilchen als Mikroglaskugeln ausgebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit durch Gasruß oder Flammruß gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikat durch Glas, Glimmer, Zeolithe oder Kaolin gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumdioxid durch Kieselsäure gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallhärte des Materials der Reflektorteilchen von der Schallhärte der Flüssigkeit um mindestens 10% abweicht.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass es zur Messung des Volumen­ stroms einer Flüssigkeit mit einer hohen Viskosität von mehr als 2000 mPa.s eingesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit mit der hohen Viskosität ein Klebstoff, ein Öl oder ein Fett ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Reflektorteilchen zusammen mit einem Dispergieradditiv eingesetzt werden.