DE4435594C2 - Verfahren zum Detektieren von insbesondere 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 an eine Leitung anlegbaren Ultraschall­ wandlern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens.

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 nachgeschalteten 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.

Nach der PCT-Anmeldung WO 93/04363 ist ein Gerät zur Er­ mittlung von Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten bekannt, das jeweils zwei separate Sende- und Empfangseinrichtungen benötigt. Für die Ermittlung der entsprechenden Daten ist, abgesehen von einem erheblichen technischen und konstruk­ tiven Aufwand, ein großer wirtschaftlicher Aufwand erfor­ derlich. Eine derartige Vorrichtung ist darüber hinaus spe­ zifisch auf die Frequenz bzw. das Medium auszulegen. Es ist eine Abstimmung der einzelnen Elemente für Sender und Empfänger erforderlich, was sich im Installationsaufwand und einer erheblichen elektronischen Auswertung nieder­ schlägt.

In der US-PS 4 418 565 und der DE 40 13 402 A1 sind des weiteren Ultraschalldetektoren beschrieben, die ebenfalls separate Sende- und Empfangseinrichtungen benötigen.

Zur Detektierung von Gasblasen in flüssigem Metall sind, wie die US-PS 4 730 493 wiedergibt, auch separate Sende- und Empfangskomponenten erforderlich, wobei eine derartige Vorrichtung nicht geeignet ist, Feststoffpartikel in von flüssigen Medien durchflossenen Leitungen, insbesondere aus Kunststoff oder Gummi, zu detektieren.

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 die von einem Sende-/Empfangswandler mit einer Keramik trans­ mittierten, die mindestens eine Leitung durchlaufenden Ultraschallimpulse in einem, dem Sende-/Empfangswandler an der Leitung diametral gegenüberliegenden akustischen Ver­ zögerungselement aus kristallinem Material empfangen wer­ den, und die durch die Absorption in diesem Element beding­ te Ausschwingzeit durch eine dem Sende-/Empfangswandler nachgeschaltete Auswerteeinheit ausgewertet wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß dem eine Auswerteeinheit nachge­ schalteten und eine Keramik aufweisenden Sende-/Empfangs­ wandler an mindestens einer Leitung diametral gegenüber­ liegend, ein aus kristallinem Material bestehendes akusti­ sches Verzögerungselement zugeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung wird ein 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 Sende-/Empfangswandler einen Schallimpuls mit einer geeigneten Sendefrequenz von z. B. 1 MHZ, entsprechend einer Pulszeit von 1 µsec abgibt, der die mit einem flüssigen Medium gefüllte Leitung, beispielsweise aus Kunststoff, Gummi oder dünnwandigem Metall durchläuft und auf der gegenüberliegenden Leitung zu einem akustischen Verzögerungselement aus schallhartem, vornehmlich kristal­ linem Material, z. B. Eisenverbindung, Aluminium oder ande­ ren 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 das akustische Verzöge­ rungselement. Die durch die Zwischenkomponenten geschwächte Schallwelle durchläuft das akustische Verzögerungselement und wird an dessen Ende reflektiert. Die rücklaufende Welle wiederum gibt in Senderichtung einen Teil ihrer Energie ab, jedoch verbleibt der Großteil der Energie im akustischen Verzögerungselement. Die einmal in diesem befindliche Schallwelle wandert alternierend von Grenzfläche zu Grenz­ fläche und wird durch Reibungsverluste im akustischen Verzögerungselement und durch die Abgabe eines Teils der Energie zurück an den Sende-/Empfangswandler geschwächt. Aufgrund der guten Ultraschall-Leitfähigkeit in Hartmetal­ len vergeht bis zur vollständigen Absorption der gesamten Energie eine im Verhältnis zum Sendeimpuls relativ lange Zeitspanne. Die während dieser Zeit an den Sende-/Empfangs­ wandler vom akustischen Verzögerungselement abgegebene 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 akus­ tischen Verzögerungselement 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 akustischen Verzögerungselementes, so kann keine weitere Differenzie­ rung der Blasen- bzw. Partikelgröße vorgenommen werden. Die Sensorik, die Leitung und das akustische Verzögerungsele­ ment müssen daher den gewünschten Anforderungen angepaßt werden. So ist es als vorteilhaft anzusehen, daß der Durch­ messer der Keramik dem Innendurchmesser der Leitung ange­ paßt ist. Die Keramik als auch die gegenüberliegende Stirn­ seite des akustischen Verzögerungselementes sollten bei paralleler Anordnung zueinander die gleiche Flächengröße aufweisen und sich hierbei zweckmäßigerweise flächenmäßig abdecken. Die Form des akustischen Verzögerungselementes 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 akustischen Verzögerungselementes sind vorteil­ hafterweise glatt und riefenfrei ausgebildet.

Die Länge des akustischen Verzögerungselementes beträgt vorteilhafterweise n × λ/2 der Schallwelle im Verzöge­ rungselement, um zusätzliche Interferenzen zu vermeiden und um eine möglichst lange Ausschwingkurve zu erzielen.

Die Mindestlänge des akustischen Verzögerungselementes sollte so bemessen werden, daß durch die Laufzeit im Verzögerungselement gegenüber der normalen Ausschwingzeit des Ultraschallkopfes eine möglichst 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 Verzögerungselement in den Bereich der Sendeimpuls-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 medizinischen Apparaturen 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.

Dem Sende-/Empfangswandler 4 ist diametral in der Leitung 2 gegenüberliegend ein akustisches Verzögerungselement 6 aus kristallinem Material zugeordnet. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel 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 Verzögerungselement 6 eine die Leitung 1 umgebende Schutzmatte 8 angeordnet.

Der Sende-/Empfangswandler 4 gibt bei der Durchführung des Verfahrens einen Schallimpuls ab, der die Leitung 1, sofern diese mit Flüssigkeit gefüllt ist, durchläuft und die über­ wiegende Energie an das Verzögerungselement abgibt. In dem Verzögerungselement 6 findet eine alternierende Reflexion an den äußeren Stirnflächen statt. Bei jeder Reflexion an der Stirnseite, die an der Leitung 1 angekoppelt ist, ge­ langt ein Teil der Energie wieder zurück zum Sende- /Empfangswandler 4. Durch die geringe Dämpfung der Ultraschallwellen in Hartmetallen vergeht bis zur Absorp­ tion der Energie im Gesamtsystem eine relativ lange Zeit. Die während dieser Zeit zum Sende-/Empfangswandler 4 zu­ rückgelangenden Teilimpulse dienen zur Auswertung des Lei­ tungsinneren. Ohne die Anordnung des akustischen Verzöge­ rungselementes 6 läßt sich, bedingt durch das Aus­ schwingverhalten der Keramik 5 sowie der schlechten Re­ flexionseigenschaften von Weichkunststoffen meßtechnisch keine Differenzierung des Schlauchinhaltes vornehmen. Durch die Verwendung des akustischen Verzögerungselementes 6 kann auf meßtechnisch einfache Weise zwischen einem gefüllten und einem leeren Schlauch differenziert werden. Selbst kleinste Gasblasen 3 lassen sich mit diesem Verfahren de­ tektieren.

Bezugszeichenliste

1 Leitung
2 Medium
3 Gasbläschen
4 Sende-/Empfangswandler
5 Keramik
6 akustisches Verzögerungselement
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 an eine Leitung anlegbaren Ultraschallwandlern, welche die Leitung durchlaufende Ultraschallimpulse aussenden und empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Sende-/Empfangswandler mit einer Keramik transmittierten, die mindestens eine Leitung durch­ laufenden Ultraschallimpulse in einem, dem Sende-/ Empfangswandler an der Leitung diametral gegenüber­ liegenden akustischen Verzögerungselement aus kristal­ linem Material empfangen werden, und die durch die Ab­ sorption in diesem Element bedingte Ausschwingzeit durch eine dem Sende-/Empfangswandler nachgeschaltete Auswerteeinheit 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 an die Leitung angelegten Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem eine Auswerteeinheit nachgeschalteten und eine Keramik (5) aufweisenden Sende-/Empfangswandler (4) an mindestens einer Leitung (1) diametral gegenüberliegend, ein aus kristallinem Material bestehendes akustisches Verzögerungselement (6) zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der in dem Sender-/Empfangswandler (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 akustischen Verzögerungselementes (6) parallel zueinander ausgerichtet sind und gleichgroße Flächen aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Verzögerungselement (6) im Quer­ schnitt eine beliebige, beispielsweise zylindrische Form aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des akustischen Verzögerungselementes (6) n × λ/2 Schallwelle im akustischen Verzögerungs­ element (6) beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des akustischen Verzögerungs­ elementes (6) parallel zueinander angeordnet sind und eine hohe Oberflächengüte aufweisen.

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

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der die Keramik (5) umgebenden Schutz­ schicht (7) und der Leitung (1) sowie gegenüber­ liegend zwischen der Leitung (1) und der Stirnseite des akustischen Verzögerungselementes (6) eine zusätz­ liche Schutzmatte (8) vorsehbar ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Keramik (5) und der Stirnseite des akustischen Verzögerungselementes (6) mehrere abstandsfrei nebeneinander angeordnete Lei­ tungen (1) vorsehbar sind.