DE4437684A1 - Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer in einem Behältnis befindlichen, sich zeitlich stofflich verändernden Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Kon­ zentration einer in einem Behältnis befindlichen, sich zeit­ lich stofflich verändernden Flüssigkeit, vorzugsweise von gä­ render Würze bei der Bierherstellung.

Bei bekannten derartigen Vorrichtungen ist im Inneren des Be­ hältnisses, also in der zu messenden Flüssigkeit, ein Ultra­ schallsensor und ein Temperatursensor angebracht. Eine konti­ nuierliche Messung der Dichte der Flüssigkeit erfolgt über eine Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen.

Wenn in der zu messenden Flüssigkeit aber Festkörper vorhan­ den sind, wie beispielsweise Hefepartikel oder nicht gelöstes Gas (CO₂), führen Messungen mit der bekannten Vorrichtung nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Dieser Fall tritt insbesondere bei der Herstellung von Bier auf. Hierbei wird ein in einem Behältnis befindliches Zuckerwassergemisch mit Hefe versetzt. Bei der anschließenden Gärung bilden sich in der Flüssigkeit ständig ungelöste Gasblasen und es bewegen sich Feststoffe in der Flüssigkeit. Für ein Ultraschallmeß­ verfahren ist diese, sich zeitlich stofflich verändernde Flüssigkeit problematisch, da Reflexionen der Ultraschallsi­ gnale an den Gasblasen bzw. Feststoffen auftreten können, was dazu führt, daß die empfangenen Signale im Ergebnis nicht auswertefähig sind.

Unabhängig von vorstehenden Problemen ist der Einbau eines Ultraschallsensors und eines Temperatursensors in das Innere eines Behältnisses oft aus hygienischen Gründen unerwünscht und/oder nachträglich bei einem bereits vorhandenen Behältnis schwer und nur unter großem Aufwand realisierbar.

Insbesondere bei der Bierherstellung ist aber die Messung der Konzentration der gärenden Würze über ihren zeitlichen Ver­ lauf von großem Interesse, da hierdurch möglicherweise vor­ handene Fehlentwicklungen während des Gärvorganges rechtzei­ tig erkannt und dann entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können. Bei der Bierherstellung ist es hierfür be­ kannt, aus der Flüssigkeit in bestimmten Zeitabständen Proben zu entnehmen und dann die Konzentration der Proben zu messen. Dies führt aber nicht zu einer kontinuierlichen Messung.

Es sind weiterhin Einrichtungen vorgeschlagen worden, welche eine mit dem Inneren des Behälters in Verbindung stehende Zirkulationsleitung oder Bypaßleitung aufweisen, wobei dann eine Messung der Konzentration bzw. eine Dichtemessung der in der Bypaßleitung zirkulierenden Flüssigkeit erfolgt. Hier­ bei erfolgt somit die Messung über eine Hilfsgröße, und das Meßergebnis entspricht nur bedingt der Konzentration der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit. Weiterhin ist bei dem Betrieb dieser bekannten Vorrichtung von Nachteil, daß durch das Vorhandensein der Bypaßleitung große Reinigungsprobleme und damit Hygienegefahren auftreten. Bei bekannten derartigen Vorrichtungen ist weiterhin vorgesehen, daß Bypaßleitungen aus unterschiedlichen Behältern zu einer einzigen Meßvorrich­ tung führen. Dies kann Infektionen von Behälter zu Behälter zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem in möglichst einfacher Weise die Konzentra­ tion einer in einem Behältnis befindlichen, sich zeitlich stofflich verändernden Flüssigkeit so gemessen werden kann, daß das Meßergebnis kontinuierlich den zeitlichen Verlauf der Dichtekonzentration anzeigt, ohne daß Einbauprobleme und/oder Hygieneprobleme auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Behälterwand einen als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallsensor mit einstellbarer Sendefrequenz und einen Temperaturfühler aufweist, und dem Ultraschallsensor Steuer­ signale zur Erzeugung eines der zu messenden Flüssigkeit und dem Behältnis angepaßten Schwingungsprofils über eine Ultra­ schallsteuer- und Wandlereinheit kontinuierlich zuführbar sind, und die von dem Ultraschallsensor empfangenen Signale der Wandlereinheit zuführbar sind, und der Temperaturfühler mit der Wandlereinheit in Verbindung steht, und der Wand­ lereinheit eine Auswerteeinheit zugeordnet ist, mittels derer die Konzentration der Flüssigkeit kontinuierlich zeitabhängig darstellbar ist.

Vorzugsweise ist der Ultraschallsensor an der Außenseite der Behälterwand angebracht. Die Anbringung kann durch Kleben oder anderweitige Befestigung erfolgen.

Das Schwingungsprofil wird derart gewählt, daß die von dem Ultraschallsensor empfangenen Signale Impulse enthalten, die der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors entsprechen. Hierdurch erreicht man eine Anregung des Schwingers des Ul­ traschallsensors zu einer Eigenschwingung, die ein Vielfaches der Energie ist, die den Schwinger als Echoimpuls erreicht. Dies hat zur Folge, daß aus einem abgestrahlten Impuls im Empfangs-Schwinger ein ausschwingendes Impulspaket wird und somit eine mechanische Verstärkung des empfangenen Ultra­ schallimpulses erfolgt. Durch diesen Betrieb unter Reso­ nanzbedingungen wird bei einem an der Außenseite der Behäl­ terwand angebrachten Ultraschallsensor ein auswertbares Emp­ fangs-Signal erzielt.

In weiterer vorzugsweiser Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ultraschallsensor einen Piezokristall­ schwinger mit einer Resonanzfrequenz in der Nähe der Eigen­ schwingung der Behälterwand bei leerem Behälter aufweist. Da grundsätzlich durch das Abstrahlen und Empfangen von Signalen über die Behälterwand große Verluste entstehen, sorgt die Wahl eines Piezokristall-Schwingers mit einer Resonanzfre­ quenz in der Nähe der Eigenschwingung der Behälterwand bei leerem Behälter für eine verbesserte Signalausbeute, weil dann die durch das Vorhandensein der Behälterwand bedingten Verluste wesentlich kleiner werden. Die Arbeitsfrequenzen liegen bei Messung durch die Behälterwand je nach Wanddicke des Behälters und dem Durchmesser des Behälters zwischen 0,2 und 1 MHz.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu­ tert.

In der Zeichnung trägt ein als Sender und Empfänger arbeiten­ der Ultraschallsensor mit einstellbarer Sendefrequenz die Be­ zugsziffer 1. Der Ultraschallsensor 1 erhält Steuersignale über eine mit 2 bezeichnete Ultraschallsteuer- und Wand­ lereinheit. Eine Auswerteeinheit ist schematisch dargestellt und mit 3 bezeichnet. Ein Temperaturfühler trägt die Bezugs­ ziffer 4. Der Ultraschallsensor 1 und der Temperaturfühler 4 sind an unterschiedlichen Stellen an der Außenwand 5 eines insgesamt mit 6 bezeichneten Behältnisses angebracht, welches eine sich zeitlich stofflich verändernde Flüssigkeit, bei­ spielsweise gärende Würze bei der Bierherstellung, enthält. Der Spiegel der Flüssigkeit ist gestrichelt dargestellt und mit 7 bezeichnet. Die von dem Ultraschallsensor abgegebenen und empfangenen Signale sind schematisch mit 8 und 9 be­ zeichnet.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
Von dem Ultraschallsensor 1 werden über die Behälterwand 5 Ultraschallimpulse in das Innere der zu messenden Flüssigkeit geleitet. Die Ultraschallimpulse werden von der gegenüberlie­ genden Wandung 10 des Behältnisses reflektiert und nach Emp­ fang durch den Ultraschallsensor 1 der Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit 2 zugeführt. Da der Einfluß der Temperatur auf die Laufzeit der Signale in der Flüssigkeit zu berücksichti­ gen ist, wird die von dem Temperaturfühler 4 ermittelte Tem­ peratur ebenfalls der Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit 2 zugeführt. An der Auswerteeinheit erfolgt dann eine kontinu­ ierliche, zeitabhängige Darstellung der Konzentration der in dem Behältnis 6 befindlichen Flüssigkeit.

In dem Ultraschallsensor wird der jeweilige Ultraschallimpuls als hochfrequenter elektrischer Impuls mit Hilfe eines Piezo­ kristallschwingers (beispielsweise eines Bariumtitanat­ schwingers) in eine mechanische Schwingung umgewandelt und über die Behälterwand in die zu messende Flüssigkeit abgege­ ben. Nach Reflexion des Ultraschallimpulses an der gegenüber­ liegenden Wand 10 des Behältnisses 2 erreicht diese mechani­ sche Schwingung über die Tankwand wieder den als Sende/Empfangs-Schwinger arbeitenden Ultraschallsensor 1. Die zeitliche Verzögerung zwischen Abstrahlen und Empfangen des Ultraschallimpulses (Laufzeit) wird unter Berücksichtigung der von dem Temperaturfühler 4 ermittelten Temperatur der Flüssigkeit unter Einsatz von der Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit in (nicht näher dargestellter Weise) zur Ver­ fügung gestellten produktbezogenen Dichte/Laufzeit-Tabellen/- Kurven in einen Konzentrations- bzw. Dichtewert der zu mes­ senden Flüssigkeit umgewandelt.

Der von dem in dem Ultraschallsensor 1 enthaltenen Piezokri­ stall-Schwinger erzeugte elektrische Impuls ist ein Rechteck­ impuls mit variabel einstellbarer Impulsbreite. Infolge der Flankensteilheit eines derartigen Rechteckimpulses kann der Piezokristallschwinger diesen Impuls nicht mit optimaler En­ ergie in eine mechanische Schwingung umwandeln. Mittels (nicht dargestellter) elektrischer Einrichtungen wird daher der von dem Piezokristallschwinger erzeugte Rechteckimpuls in eine einem Sinussignal nahekommende Verlaufsform umgewandelt. Die Frequenz wird so gewählt, daß die von dem Ultraschallsen­ sor 1 nach Reflexion empfangenen Signale Impulse enthalten, die der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors entsprechen. Die Resonanzfrequenz des Ultraschallschwingers ist wiederum so gewählt, daß sie in der Nähe der Eigenschwingung der Wand 5 des Behältnisses 6 bei leerem Behältnis liegt.

Infolge des vorstehend beschriebenen "Schwingungsprofils" ist es möglich, eine kontinuierliche Messung der sich in dem Be­ hältnis 6 befindlichen, sich zeitlich stofflich verändernden Flüssigkeit mittels an der Außenseite des Behältnisses ange­ brachter Sensoren (Ultraschallsensor 1 und Temperaturfühler 4) vorzunehmen. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine enorme Kostenersparung hinsichtlich des apparativen Auf­ wandes dar. Ein weiterer Vorteil ist, daß während der Mes­ sung kein Kontakt mit der zu messenden Flüssigkeit erfolgt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer in einem Behältnis befindlichen, sich zeitlich stofflich verän­ dernden Flüssigkeit, vorzugsweise von gärender Würze bei der Bierherstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ hälterwand (5) einen als Sender und Empfänger arbeitenden Ultraschallsensor (1) mit einstellbarer Sendefrequenz und einen Temperaturfühler (4) aufweist, und dem Ultraschall­ sensor (1) Steuersignale zur Erzeugung eines der zu mes­ senden Flüssigkeit und dem Behältnis angepaßten Schwin­ gungsprofils über eine Ultraschallsteuer- und Wandlerein­ heit (2) kontinuierlich zuführbar sind, und die von dem Ultraschallsensor (1) empfangenen Signale der Wandlerein­ heit (2) zuführbar sind, und der Temperaturfühler (4) mit der Wandlereinheit (2) in Verbindung steht, und der Wand­ lereinheit (2) eine Auswerteeinheit (3) zugeordnet ist, mittels derer die Konzentration der Flüssigkeit kontinu­ ierlich zeitabhängig darstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (1) an der Außenseite der Behälter­ wand (5) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schwingungsprofil derart gewählt ist, daß die von dem Ultraschallsensor (1) empfangenen Signale Im­ pulse enthalten, die der Resonanzfrequenz des Ultra­ schallsensors entsprechen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (1) einen Piezo­ kristallschwinger mit einer Resonanzfrequenz in der Nähe der Eigenschwingung der Behälterwand (5) bei leerem Be­ hälter aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Einrichtungen zur Umwandlung des von dem Pie­ zokristallschwinger erzeugten Rechteckimpulses in ein ei­ nem Sinussignal nahekommende Verlaufsformen vorgesehen sind.