DE4437684C2 - 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 gärender Würze bei der Bierherstellung, gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten derartigen Vorrichtungen ist im Inneren des Behältnisses, also in der zu messenden Flüssigkeit, ein Ul­ traschallsensor und ein Temperatursensor angebracht. Eine kontinuierliche Messung der Dichte der Flüssigkeit erfolgt über eine Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen.

So ist beispielsweise aus der DE 38 25 131 A1 eine Anordnung zur Messung der Konzentration von Öl-Wasser-Mischungen be­ kannt, die eine Rohrleitung durchströmen. Ein Ultraschall­ sensor erstreckt sich durch die Rohrwand hindurch und sendet und empfängt Ultraschallsignale. Konzentrationsänderungen in den Öl-Wasser-Mischungen werden durch eine sich ändernde Laufzeit der Ultraschallsignale längs einer vorgegebenen Meßstrecke gemessen. Nachteilig ist hierbei, daß der im In­ neren des Rohrs vorhandene Ultraschallsensor hygienisch pro­ blematisch ist. Zudem ist ein nachträglicher Einbau in vor­ handene Rohre bzw. Behälter nur mit einem beträchtlichen Ko­ sten- und Zeitaufwand möglich.

Aus der DE 40 23 977 A1 ist ein Verfahren zur Kontrolle der Konzentration von Suspensionen, Emulsionen und Lösungen be­ kannt, bei welchem die Laufzeit von Ultraschallsignalen ge­ messen wird. Aus den Laufzeiten kann dann unter Kompensation von Temperatureinflüssen auf die gesuchte Konzentration ge­ schlossen werden.

Die DE 27 16 833 A1 offenbart ein Verfahren zur Prüfung der Eigenschaften von Material in einem Behälter, bei welchem durch die Behälterwand und durch das Material Ultraschallim­ pulse gesandt werden. Ein Rückschluss auf die Materialeigen­ schaften erfolgt aufgrund des Impulsnachhalls, welcher in der Behälterwand erzeugt wird.

Aus der Textstelle "J.+H. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Auflage, Springer-Verlag 1986, Seiten 132- 135" ist es bekannt, eine piezoelektrische Platte, die als Schwinger in einem Ultraschallsensor angeordnet ist, in ei­ ner ihrer Eigenschwingungen anzuregen. Eine Abstimmung der Resonanzfrequenz auf ein zu prüfendes Element wird hier je­ doch nicht erwähnt.

Wenn in der zu messenden Flüssigkeit aber Festkörper vorhan­ den sind, wie beispielsweise Hefepartikel oder nicht gelö­ stes Gas (CO2), führen Messungen mit der bekannten Vorrich­ tung 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 bewe­ gen sich Feststoffe in der Flüssigkeit. Für ein Ultraschall­ meßverfahren 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 Behält­ nis schwer und nur unter großem Aufwand realisierbar.

Insbesondere bei der Bierherstellung ist aber die Messung der Konzentration der gärenden Würze über ihren zeitlichen Verlauf von großem Interesse, da hierdurch möglicherweise vorhandene Fehlentwicklungen während des Gärvorganges recht­ zeitig erkannt und dann entsprechende Gegenmaßnahmen einge­ leitet werden können. Bei der Bierherstellung ist es hierfür bekannt, aus der Flüssigkeit in bestimmten Zeitabständen Proben zu entnehmen und dann die Konzentration der Proben zu messen. Dies führt aber nicht zu einer kontinuierlichen Mes­ sung.

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. Hierbei 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 Reinigungs­ probleme und damit Hygienegefahren auftreten. Bei bekannten derartigen Vorrichtungen ist weiterhin vorgesehen, daß Bypaßleitungen aus unterschiedlichen Behältern zu einer ein­ zigen Meßvorrichtung führen. Dies kann Infektionen von Be­ hälter zu Behälter zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem in möglichst einfacher Weise die Konzen­ tration 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.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gemeinsamkeit aller Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Behälterwand einen als Sender und Empfänger arbei­ tenden Ultraschallsensor mit einstellbarer Sendefrequenz und einen Temperaturfühler aufweist, und dem Ultraschallsensor Steuersignale zur Erzeugung eines der zu messenden Flüssig­ keit und dem Behältnis angepaßten Schwingungsprofils über eine Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit kontinuierlich zuführbar sind, und die von dem Ultraschallsensor empfange­ nen Signale der Wandlereinheit zuführbar sind, und der Tem­ peraturfühler mit der Wandlereinheit in Verbindung steht, und der Wandlereinheit eine Auswerteeinheit zugeordnet ist, mittels derer die Konzentration der Flüssigkeit kontinuier­ lich zeitabhängig darstellbar ist.

Dabei ist der Ultraschallsensor an der Außenseite der Behäl­ terwand 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 Vielfa­ ches der Energie ist, die den Schwinger als Echoimpuls er­ reicht. Dies hat zur Folge, daß aus einem abgestrahlten Im­ puls im Empfangs-Schwinger ein ausschwingendes Impulspaket wird und somit eine mechanische Verstärkung des empfangenen Ultraschallimpulses erfolgt. Durch diesen Betrieb unter Re­ sonanzbedingungen wird bei einem an der Außenseite der Be­ hälterwand angebrachten Ultraschallsensor ein auswertbares Empfangs-Signal erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ultraschallsensor einen Piezokristallschwinger mit einer Resonanzfrequenz in der Nähe der Eigenschwingung der Behäl­ terwand bei leerem Behälter aufweist. Da grundsätzlich durch das Abstrahlen und Empfangen von Signalen über die Behälter­ wand große Verluste entstehen, sorgt die Wahl eines Piezo­ kristall-Schwingers mit einer Resonanzfrequenz 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 arbei­ tender Ultraschallsensor mit einstellbarer Sendefrequenz die Bezugsziffer 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, wel­ ches eine sich zeitlich stofflich verändernde Flüssigkeit, beispielsweise gärende Würze bei der Bierherstellung, ent­ hält. Der Spiegel der Flüssigkeit ist gestrichelt darge­ stellt und mit 7 bezeichnet. Die von dem Ultraschallsensor abgegebenen und empfangenen Signale sind schematisch mit 8 und 9 bezeichnet.

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 Lauf Zeit 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 Energie 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 (2)

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer in einem Behältnis befindlichen, sich zeitlich stofflich verän­ dernden Flüssigkeit, vorzugsweise von gärender Würze bei der Bierherstellung, mit einer Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit, welche mit einem als Sender und Empfän­ ger arbeitenden Ultraschallsensor (1) und einem Tempera­ turfühler (4) in Verbindung steht, wobei dem Ultra­ schallsensor (1) Steuersignale zur Erzeugung eines der zu messenden Flüssigkeit angepaßten Schwingungsprofils über die Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit (2) kon­ tinuierlich zuführbar sind, und die an der gegenüberlie­ genden Wand des Behältnisses reflektierten, von dem Ul­ traschallsensor (1) empfangenen Signale der Ultraschall­ steuer- und Wandlereinheit (2) zuführbar sind, und der Ultraschallsteuer- und Wandlereinheit (2) eine Auswerte­ einheit (3) zugeordnet ist, mittels derer die Konzentra­ tion der Flüssigkeit kontinuierlich zeitabhängig dar­ stellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultra­ schallsensor (1) an der Außenseite der Behälterwand (5) angebracht ist und einen Piezokristallschwinger mit ei­ ner Resonanzfrequenz in der Nähe der Eigenschwingung der Behälterwand (5) bei leerem Behälter aufweist, wobei das Schwingungsprofil derart gewählt ist, daß die von dem Ultraschallsensor (1) empfangenen Signale Impulse ent­ halten, die der Resonanzfrequenz des Ultraschallsensors entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Einrichtungen zur Umwandlung des von dem Piezokristallschwinger erzeugten elektrischen Rechteck­ impulses, welcher in eine mechanische Schwingung umge­ wandelt werden soll, in eine einem Sinussignal nahekom­ mende Verlaufsform vorgesehen sind.