DE4435594A1 - Verfahren zum Detektieren von Gas in flüssigen Medien transportierenden Leitungen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Gas und Feststoffpartikeln in von flüssigen Medien durch­ flossenen Leitungen aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigen Metallen mittels eines parallel an mindestens eine Leitung anlegbaren Ultraschallwandlers sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zum Detektieren von Gas oder Flüssigkeiten in Behältern oder Rohren ist es bekannt, unter der Wahl einer geeigneten Frequenz von z. B. 1 MHz Schallgeber in ein Rohrleitungs­ system einzubauen. Der vom Schallgeber erzeugte Ultraschall erreicht die gegenüberliegende Wand des mit Flüssigkeit ge­ füllten Rohres und wird von dieser nach dem Prinzip des Echolotes reflektiert.

Bei Schallgebern mit diesen Frequenzen handelt es sich um Piezokeramiken oder spezielle Kunststoffolien, die ein reversibles Verhalten aufweisen, wodurch eindeutig be­ stimmbar ist, ob sich im vorhandenen Schlauch- bzw. Rohr­ system Flüssigkeit oder Gas befindet.

Ein Nachteil bei der Durchführung derartiger Messungen be­ steht im wesentlichen darin, daß der Ultraschallkopf mit den Medien, beispielsweise Säuren, Lösungsmitteln oder an­ deren aggressiven Stoffen in Berührung kommt, wodurch die Standzeit und die Funktion erheblich eingeschränkt werden. Darüber hinaus kann es in unter Druck stehenden Behältern leicht zu einer Zerstörung der sehr spröden Keramik kommen.

Weiterhin ist es bekannt, mit dem sogenannten Durchschal­ lungsverfahren ein Meßobjekt mit einer geeigneten Schall­ frequenz zu durchschallen. Eine nachgeschaltete Auswerte­ elektronik erfaßt die Empfangsamplitude, wobei Gasein­ schlüsse innerhalb des Mediums Amplitudenrückgänge verur­ sachen, die mittels Komparatoren ausgewertet werden. Der Nachteil des sogenannten Durchschallungsverfahrens besteht im wesentlichen in dem jeweiligen Bedarf von zwei Ultra­ schallwandlern, wodurch die Meßvorrichtung jeweils in sehr kostenintensiver Weise auszuführen ist. Hinzu kommt, daß dieses Verfahren bei Metallrohren mit einer Wandstärke von mehr als 1 mm aufgrund von Interferenzbildung und Metall­ ausschwingverhalten zu großen Ungenauigkeiten führt.

Darüber hinaus ist das sogenannte Echoimpulsverfahren bekannt, bei dem im Gegensatz zum Durchschallungsverfahren nur ein Ultraschallwandler benötigt wird. Ein Sendeimpuls vom Ultraschallwandler gelangt durch die Rohr- bzw. Be­ hälterwand und nach der Reflexion an der gegenüberliegenden Innenwand wieder zurück zum Ultraschallsensor. Mit einer derartigen Meßmethode können die Zustände voll-leer detektiert werden, ohne das Medium zu berühren. Ein solches Verfahren führt jedoch beim Messen von Medien in vor­ nehmlich dünnen Kunststoffschläuchen bzw. dünnwandigen Rohren mit geringem Durchmesser zu erheblichen Problemen und Ungenauigkeiten. Selbst durch den gerade noch zu ver­ tretenden Aufwand, den Ultraschallkopf mechanisch und elektronisch zu bedämpfen, schwingt die Keramik noch so­ lange nach, daß zwischen Echo und Ausschwingverhalten des Sensors nicht differenziert werden kann. Hinzu kommt, daß Weichkunststoffe und Gummi sogenannte schallweiche Produkte sind, die kaum zum Reflektieren neigen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren von Gas in von flüssigen Medien durchflossenen Leitungen, insbesondere aus Kunststoff, Gum­ mi oder dünnwandigen Metallen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die eine kosten­ günstige, die Funktion des Verfahrens gewährleistende Meß­ vorrichtung darstellt, die mit größter Genauigkeit das De­ tektieren von Gasbläschen in flüssigen Medien ermöglicht, die mit einfachen Mitteln herstellbar und einsetzbar ist, und die vor allem ohne die Berührung mit dem Medium eine exakte Messung erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der von einem Sender/Empfänger in Verbindung mit einer Keramik transmittierte, die Leitung durchlaufender Schallimpuls in einem, dem Sender/Empfänger an der Leitung diametral gegen­ überliegenden Manipulator aus kristallinem Material empfan­ gen wird, und die durch die Absorption im Manipulator be­ dingte Ausschwingzeit durch eine dem Sender/Empfänger nach­ geschaltete Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß dem eine Auswerteeinheit nachge­ schalteten und eine Keramik aufweisenden Sender/Empfänger an mindestens einer Leitung diametral gegenüberliegend, ein aus kristallinem Material bestehender Manipulator vorgesehen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung wird eine Ultraschallwandler bekannter Bauweise zugrundegelegt, bei dem zur Sendung eines Schallimpulses eine Keramik durch eine Spannung beaufschlagt wird, und der als Empfänger geeignet ist, über reflektierte Schallimpulse durch die Keramik eine Spannung zu erzeugen, die in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Das Funktionsprinzip des Verfahrens besteht darin, daß zu­ nächst der Sender einen Schallimpuls mit einer geeigneten Sendefrequenz von z. B. 1 MHz, entsprechend einer Pulszeit von 1 µsec abgibt, der die mit einem flüssigen Medium ge­ füllte Leitung, beispielsweise aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigem Metall durchläuft und auf der gegenüberlie­ genden Leitung zu einem Manipulator aus schallhartem, vor­ nehmlich kristallinem Material, z. B. Eisenverbindung, Alu­ minium oder anderen Metallen oder kristallin aufgebauten Werkstoffen, in die Keramik gelangt.

Die Reflexionen in den durchschallten Zwischenkomponenten, wie Leitungswandung, beispielsweise in Form eines Kunst­ stoffschlauches, Flüssigkeit sowie zusätzlichen Koppel­ elementen und zwischengefügten Schutzmatten, können für die Auswertung vernachlässigt werden.

Bedingt durch ihre ultraschalltechnischen Eigenschaften in Verbindung mit dem aus schwingenden Schallgeber, sind sie nicht auswertbar. Da andererseits diese Komponenten den Ultraschall gut leiten, gelangt ein gewisser Teil der aus­ gestrahlten Ultraschallenergie in den Manipulator. Die durch die Zwischenkomponenten geschwächte Schallwelle durchläuft den Manipulator und wird an dessen Ende reflek­ tiert. Die rücklaufende Welle wiederum gibt in Senderich­ tung einen Teil ihrer Energie ab, jedoch verbleibt der Großteil der Energie im Ultraschallmanipulator. Die einmal in diesem befindliche Schallwelle wandert alternierend von Grenzfläche zu Grenzfläche und wird durch Reibungsverluste im Manipulators und durch die Abgabe eines Teils der Ener­ gie zurück an den Empfänger geschwächt. Aufgrund der guten Ultraschalleitfähigkeit in Hartmetallen vergeht bis zu vollständigen Absorption der gesamten Energie eine im Ver­ hältnis zum Sendeimpuls relativ lange Zeitspanne. Die wäh­ rend dieser Zeit an den Empfänger vom Manipulator abgege­ bene Energie dient der Auswertung.

Durchläuft eine Gasblase oder ein Feststoffpartikel die Leitung im Bereich der Meßeinrichtung, so reduziert sich die Ausschwingzeit, da der Ultraschallenergiefluß zum Mani­ pulator entsprechend reduziert wird. Der zeitliche Rückgang der Ausschwingzeit sowie der Rückgang der Amplitude bilden ein Maß für den Durchmesser der Gas- bzw. Luftblase oder der Feststoffpartikel.

Beträgt die Abschattung der durchlaufenden Blase beispiels­ weise 80% des aktiven Sensors bzw. des Manipulators, so kann keine weitere Differenzierung der Blasen- bzw. Parti­ kelgröße vorgenommen werden. Die Sensorik, die Leitung und der Manipulator müssen daher den gewünschten Anforderungen angepaßt werden. So ist es als vorteilhaft anzusehen, daß der Durchmesser der Keramik dem Innendurchmesser der Lei­ tung angepaßt ist. Die Keramik als auch die gegenüberlie­ gende Stirnseite des Manipulators sollten bei paralleler Anordnung zueinander die gleiche Flächengröße aufweisen und sich hierbei zweckmäßigerweise flächenmäßig abdecken. Die Form des Manipulators kann beispielsweise zylindrisch oder eine beliebig andere Form aufweisen.

Die Stirnseiten sind vorteilhafterweise parallel zueinander und von möglichst hoher Oberflächengüte und auch die Mantel­ flächen des Manipulators sind vorteilhafterweise glatt und riefenfrei ausgebildet.

Die Länge des Manipulators beträgt vorteilhafterweise n × λ /2 der Schallwelle im Manipulator, um zusätzliche Interfe­ renzen zu vermeiden und um eine möglichst lange Ausschwing­ kurve zu erzielen.

Die Mindestlänge des Manipulators sollte so bemessen wer­ den, daß durch die Laufzeit im Manipulator gegenüber der normalen Ausschwingzeit des Ultraschallkopfes eine mög­ lichst hohe Dynamik erreicht wird. Bei 1 < 3-4 × λ/2 ist diese Voraussetzung in der Regel hinreichend gut gegeben.

Es ist im Rahmen der Erfindung als zweckmäßig anzusehen, die Schutzschicht über der Keramik möglichst dünn, plan und riefenfrei auszubilden, um eine geringe Eigenausschwingung des Sensorkopfes sowie eine gute Ankoppelung zu erzielen.

Diese Ausbildung ist im besonderen dann wichtig, wenn die Flußgeschwindigkeit des Mediums hoch ist und daher mit ei­ ner hohen Pulswiederholfrequenz gearbeitet werden muß.

Die Grenze der Meßmethode liegt dort, wo die Ausschwingzeit des Sensorsystems ohne Manipulator in den Bereich der Sen­ deimpuls-Wiederholfrequenz gelangt.

Das Meßverfahren ist auch bei mehreren nebeneinander an­ gebrachten Schläuchen einsetzbar, wobei die Meßobjekte ohne Zwischenräume untereinander aneinander gereiht sind.

Der besondere Vorteil des Verfahrens zum Detektieren von Gas in von flüssigen Medien durchflossenen Leitungen aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigen Metallen ist insbeson­ dere darin zu sehen, daß bei einer extrem schnellen Aus­ wertbarkeit ein geringer und kostengünstiger elektronischer und mechanischer Aufwand erforderlich ist, daß das Verfah­ ren sehr störunempfindlich ist und einen geringen elektro­ nischen Leistungsbedarf benötigt. Das Gerät weist geringe Abmessungen sowie ein geringes Gewicht der gesamten Senso­ rik auf und ist auf einfache Weise an entsprechenden Lei­ tungen zu installieren.

Das Verfahren zum Detektieren von Gasbläschen kann in be­ sonders vorteilhafter Weise für die Lufterkennung in In­ fusions- und Dialysesystemen sowie zur Gaserkennung in Hy­ drauliksystemen oder auch in automatischen Abfüllanlagen und Lackierautomaten verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Vorrichtung ist anhand einer schematisierten Wiedergabe in der Zeichnung dargestellt und wird im folgen­ den näher erläutert.

In der Zeichnung ist in einer schematisierten Darstellung im Schnitt eine Leitung 1, beispielsweise aus Gummi oder Kunststoff dargestellt, die von einem flüssigen Medium 2 durchflossen wird, in welcher Gasbläschen 3 unterschied­ licher Größe enthalten sind.

Zum Detektieren der Gasbläschen 3 ist einseitig der Leitung 1 und parallel zu dieser ein Sender/Empfänger 4 angeordnet, der eine Keramik 5 enthält. Die dem Sender/Empfänger 4 nachgeschaltete elektronische Schaltung, über welche die Amplitude oder Zeitauswertung zu ermitteln ist, ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Dem Sender/Empfänger 4 ist, diametral an der Leitung 2 gegenüberliegend, ein Manipulator 6 aus kristallinem Mate­ rial angeordnet. In dem in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiel ist zusätzlich zwischen der Keramik 5, die mit einer Schutzschicht 7 geschützt ist, und der Leitung 1 sowie diametral gegenüberliegend zwischen der Leitung 1 und dem Manipulator 6, eine die Leitung 1 umgebende Schutzmatte 8 angeordnet.

Der Sender 4 gibt bei der Durchführung des Verfahrens einen Schallimpuls ab, der die Leitung 1, sofern diese mit Flüs­ sigkeit gefüllt ist, durchläuft und gibt die überwiegende Energie an den Manipulator 6 ab. In dem Manipulator 6 fin­ det eine alternierende Reflexion an den äußeren Stirn­ flächen statt. Bei jeder Reflexion an der Stirnseite, die an der Leitung 1 angekoppelt ist, gelangt ein Teil der Energie wieder zurück zum Empfänger 4. Durch die geringe Dämpfung von Ultraschallwellen in Hartmetallen vergeht bis zur Absorption der Energie im Gesamtsystem eine relativ lange Zeit. Die während dieser Zeit zum Empfänger 4 zu­ rückgelangenden Teilimpulse dienen zur Auswertung des Leitungsinneren. Ohne die Anordnung des Manipulators 6 läßt sich, bedingt durch das Ausschwingverhalten der Keramik 5 sowie der schlechten Reflexionseigenschaften von Weich­ kunststoffen, meßtechnisch keine Differenzierung des Schlauchinhaltes vornehmen. Durch die Verwendung des Mani­ pulators 6 kann auf meßtechnisch einfache Weise zwischen einem gefüllten und einem leeren Schlauch differenziert werden. Selbst kleinste Gasblasen 3 lassen sich mit diesem Verfahren detektieren.

Bezugszeichenliste

1 Leitung
2 Medium
3 Gasbläschen
4 Sender/Empfänger
5 Keramik
6 Manipulator
7 Schutzschicht
8 Schutzmatte

Claims (10)

1. Verfahren zum Detektieren von Gas und Feststoffparti­ keln in von flüssigen Medien durchflossenen Leitungen aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigen Metallen mit­ tels eines parallel an mindestens eine Leitung anleg­ baren Ultraschallwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem Sender/Empfänger in Verbindung mit einer Keramik transmittierte, die Leitung durchlaufende Schallimpuls in einem, dem Sender/Empfänger an der Leitung diametral gegenüberliegenden Manipulator aus kristallinem Material empfangen wird, und die durch die Absorption im Manipulator bedingte Ausschwingzeit durch eine dem Sender/Empfänger nachgeschaltete Aus­ werteeinheit ausgewertet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum De­ tektieren von Gas und Feststoffpartikeln in von flüs­ sigen Medien durchflossenen Leitungen aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigen Metallen mittels eines pa­ rallel an die Leitung angelegten Ultraschallwandlers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem eine Auswerteeinheit nachgeschalteten und eine Keramik (5) aufweisenden Sender/Empfänger (4) an mindestens einer Leitung (1) diametral gegenüberliegend, ein aus kri­ stallinem Material bestehender Manipulator (6) vorge­ sehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der in dem Sender/Empfänger (4) hinter einer Schutzschicht (7) integrierten Keramik (5) dem Innendurchmesser der Leitung (1) angepaßt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik (5) und die gegenüberliegende Stirn­ seite des Manipulators (6) parallel zueinander aus­ gerichtet sind und gleichgroße Flächen aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator (6) im Querschnitt eine beliebige, beispielsweise zylindrische Form aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Manipulators (6) n × λ/2 Schallwelle im Manipulator (6) beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des Manipulators (6) parallel zueinander angeordnet sind und eine hohe Oberflächen­ güte aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen des Manipulators (6) glatt und riefenfrei ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der die Keramik (5) umgebenden Schutzschicht (7) und der Leitung (1) sowie gegen­ überliegend zwischen der Leitung (1) und der Stirn­ seite des Manipulators (6) eine zusätzliche Schutz­ matte (8) vorsehbar ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Keramik (5) und der Stirnseite des Manipulators (6) mehrere abstandsfrei nebeneinander angeordnete Leitungen (1) vorsehbar sind.