EP1634068A1 - Verfahren zur messung der akustischen impedanz einer flüssigkeit mittels eines ultraschallwandlers - Google Patents

Verfahren zur messung der akustischen impedanz einer flüssigkeit mittels eines ultraschallwandlers

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EP1634068A1
EP1634068A1 EP04738629A EP04738629A EP1634068A1 EP 1634068 A1 EP1634068 A1 EP 1634068A1 EP 04738629 A EP04738629 A EP 04738629A EP 04738629 A EP04738629 A EP 04738629A EP 1634068 A1 EP1634068 A1 EP 1634068A1
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EP
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liquid
ultrasonic transducer
acoustic impedance
measured
transducer
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Sigrun Hirsekorn
Wolfgang Gebhardt
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G01N9/002—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity using variation of the resonant frequency of an element vibrating in contact with the material submitted to analysis

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring the acoustic impedance of a liquid, in particular for determining the density of the liquid.
  • the density determination of liquids is also made possible.
  • the measurement of the speed of sound is now possible with very high accuracy, for example using ultrasonic transit time methods.
  • the acoustic impedance determines at the interface between two Media the transmission and reflection behavior.
  • Known measuring methods for acoustic impedance are therefore based on the amplitude measurement of transmitted and reflected sound signals.
  • these measuring methods which have also been used for the depth-resolved determination of the density of water in lakes, are not sufficiently accurate for this application.
  • the object of the present invention is to provide a method for measuring the acoustic impedance of a liquid, in particular for determining the density of the liquid, which enables measurement with high accuracy.
  • an ultrasound transducer is introduced into the liquid and one or more resonance frequencies of the ultrasound transducer are measured in the liquid.
  • the acoustic impedance of the liquid is then determined from the measured resonance frequencies.
  • Piezoelectric transducers or bending vibrators can be used as ultrasound transducers. In principle, any transducer can be used for the measurement, the resonances of which depend on the surrounding medium and the Has resonance points of sufficiently high quality to achieve the desired measurement accuracy.
  • the acoustic impedance of the liquid can be determined from this relation.
  • the acoustic impedance can be determined by a corresponding calculation after the measured resonance frequencies have been obtained.
  • the resonance frequencies are preferably measured by measuring the electrical one
  • the measurement is carried out by measuring the oscillation amplitude of the ultrasound transducer as a function of the frequency of the exciting AC voltage.
  • One or more resonance frequencies can be determined in each case. The determination and evaluation of several resonance frequencies increases the measuring accuracy of the method.
  • Measurement accuracy is mainly influenced by the quality of the transducer used.
  • An ultrasonic transducer of higher quality has sharper resonances, which can thus be determined more precisely.
  • the ultrasound transit time in the liquid is also measured to determine the density.
  • the density of the liquid can then be determined directly with high accuracy from the two variables, the acoustic impedance and the speed of sound, which can also be measured with high accuracy.
  • Fig. 1 shows an example of a measuring arrangement for performing the present
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a piezoelectric thickness transducer in a liquid.
  • the ultrasound transducer 1 is first immersed in the liquid 2, as can be seen in a highly schematic manner in FIG. 1.
  • the ultrasonic transducer 1 is then subjected to an electrical alternating voltage U of the amplitude U 0 and the angular frequency ⁇ via an impedance measuring device 3 for measuring electrical resistances, thereby stimulating thickness vibrations.
  • a thickness transducer made of lead metal nanobate with the dimensions 22 x 12 x 0.3 mm is used as an ultrasonic transducer.
  • the impedance measuring device 3 measures the electrical impedance in a predetermined frequency interval.
  • the measured values are forwarded to an evaluation unit 4 which calculates the acoustic impedance of the liquid from the course of the amount of the measured electrical impedance as a function of the excitation frequency.
  • the position of the series and parallel resonance ie the position of minima and maxima of the impedance magnitude curve, is in the area of the basic resonance Thickness vibration evaluated, as will be explained in more detail below. The detection of these extreme values is carried out automatically by the evaluation device 4.
  • Figure 2 shows a schematic diagram of a piezoelectric thickness transducer 1 used for the method in a liquid 2.
  • the thickness of the piezo transducer 1 is small compared to its Diameter, so that the calculations can be carried out one-dimensionally as a good illustration.
  • Figure 2 serves as the basis for the calculations.
  • Do transducers come with other geometric properties or e.g. Bending vibrators are also used, corresponding derivations of the relationship between the measured resonance frequencies and the acoustic impedance of the surrounding liquid, which are adapted to the circumstances, are required.
  • the index j denotes in which of the materials, liquid F or piezo transducer P, the sizes are to apply.
  • T j is the mechanical tension
  • Sj the distortion
  • Uj the mechanical displacement
  • D j the dielectric displacement
  • E j the electric field in the transducer 1 or the surrounding liquid 2.
  • the material parameters are the elastic constant with constant dielectric displacement C j D , the dielectric constant with constant distortion ⁇ j S and the piezoelectric deformation constant h j .
  • the elastic constant Cj D and the acoustic impedance I j are linked to the density p j and (longitudinal) speed of sound V j ,
  • the electrical voltage generates thickness vibrations of the transducer, which with mechanical shafts of forward and backward running in the transducer
  • the vibrating transducer emits waves running back and forth in the surrounding liquid
  • the electrical field integrated in the converter 1 via the converter thickness is equal to the applied voltage
  • the total current J is calculated from the
  • a N (x) A R ( ⁇ ) ⁇ 4f ⁇ (15)
  • the resonances are local minima (series resonance) and maxima (parallel resonance) of the amplitude.
  • This last equation is solved according to I Q and used to determine the acoustic impedance of the ambient liquid 2 on the basis of the measured resonance frequencies.
  • the calculation is carried out by the evaluation device 4 shown in FIG.
  • the geometric dimensions of the transducer 1 and the material parameters density p, longitudinal sound velocity v, dielectric constant with constant distortion ⁇ s , piezoelectric deformation constant h and the elastic constant with constant dielectric displacement c D are used as input variables. These must be known for the converter 1 used. If not the electrical impedance but the amplitude of the thickness vibrations of the transducer is measured as a function of the excitation frequency when carrying out the present method, the calculation takes into account that the thickness vibration of the transducer is the difference in the displacement on the two surfaces:
  • ⁇ d ⁇ a P (e ikpd - 1) + b P (e- iM -l) ⁇ D 0 e ⁇ i ⁇ t , (19)
  • the calculations for determining the acoustic impedance from the measured resonance frequencies can be expanded by including feedback effects of the electrical voltage source. This extension can also be carried out analytically without any problems for the specialist. For this, see, for example, S. Hirsekorn et al. , "Modeling of Graded 1-3
  • the ultrasound transducer 1 used was first measured in air. The transducer 1 was then immersed in a measuring cup which contained 150 ml of distilled water. 5 units of 10 ml each of isopropanol were then successively added to the water and uniformly distributed by stirring. The measurements are summarized in the table below.
  • the present method thus enables the precise determination of the acoustic impedance of a liquid.
  • resonance frequencies can be measured more precisely than reflection and transmission amplitudes, which leads to more precise results first for the impedance of the surrounding liquid and in connection with transit time or sound velocity measurements, for which accuracy is not a problem, and finally to more accurate results for the density leads.
  • Both measuring methods can be integrated into a single measuring device using suitable ultrasonic transducers with the associated electronics.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit (2), insbesondere für die Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit (2), bei dem ein Ultraschallwandler (1) in die Flüssigkeit (2) eingebracht, ein oder mehrere Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers (1) in der Flüssigkeit (2) gemessen und die akustische Impedanz der Flüssigkeit (2) aus den gemessenen Resonanzfrequenzen bestimmt wird. Das vorliegende Verfahren ermöglicht die genaue Bestimmung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit sowie in Verbindung mit einer Ultraschall-Laufzeitmessung auch eine Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER AKUSTISCHEN IMPEDANZ EINER FLÜSSIGKEIT MITTELS EINES ULTRASCHALLWANDLERS
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit, insbesondere für eine Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit .
Die Bestimmung der Dichte von Flüssigkeiten ist in vielen technischen Bereichen erforderlich. So stellt sich beispielsweise in der Umweltphysik das Problem, die Dichte von Wasser in Seen in Abhängigkeit von der Tiefe mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Auch zur Charakterisierung flüssiger Systeme in der Lebens- mittel- und der chemischen Industrie spielt die
Bestimmung der Dichte eine wichtige Rolle. Herkömmliche Dichte-Messverfahren durch Einsatz von Aräometern oder Pyknometern eignen sich in diesen Bereichen kaum.
Die Dichte einer Flüssigkeit pF ist der Quotient aus ihrer akustischen Impedanz IF und ihrer Schallgeschwindigkeit vF, pF = IF/VF.
Durch Messung dieser beiden Größen wird somit ebenfalls die Dichtebestimmung von Flüssigkeiten ermöglicht. Die Messung der Schallgeschwindigkeit ist heutzutage mit sehr hoher Genauigkeit, bspw. über Ultraschall-Laufzeitverfahren, möglich. Die akustische Impedanz bestimmt an der Grenzfläche zwischen zwei Medien das Transmissions- und Reflexionsverhalten. Bekannte Messverfahren für die akustische Impedanz beruhen daher auf der Amplitudenmessung von transmittierten und reflektierten Schallsignalen. Diese Messverfahren, die bisher auch für die tiefenaufgelöste Bestimmung der Dichte von Wasser in Seen eingesetzt werden, weisen jedoch für diese Anwendung keine ausreichende Genauigkeit auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit, insbesondere zur Bestimmung der Dichte der Flüssigkeit, anzugeben, das eine Messung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit wird ein Ultraschallwandler in die Flüssigkeit eingebracht und ein oder mehrere Resonanzfrequenzen des Ultraschall- wandlers in der Flüssigkeit gemessen. Aus den gemessenen Resonanzfrequenzen wird dann die akustische Impedanz der Flüssigkeit bestimmt. Als Ultraschall- wandler können dabei bspw. piezoelektrische Wandler oder Biegeschwinger eingesetzt werden. Im Prinzip ist für die Messung jeder Wandler einsetzbar, dessen Resonanzen von dem umgebenden Medium abhängen und der Resonanzstellen mit genügend hoher Güte besitzt, um die gewünschte Meßgenauigkeit zu erreichen.
Hierbei wird zur Bestimmung der akustischen Impedanz ausgenutzt, dass die Umgebung, in der sich Ultraschallwandler befinden, ihr Schwingungsverhalten beeinflusst . Die Resonanzfrequenzen der Ultraschall - wandler verschieben sich in Abhängigkeit von den Materialparametern des umgebenden Mediums . Dieser Zusammenhang kann quantitativ abgeleitet werden, so dass aus den gemessenen Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers sowie seinen mechanischen, elektrischen und geometrischen Eigenschaften die akustische Impedanz der Umgebung berechnet werden kann. So liefern bei Einsatz eines piezoelektrischen Wandlers auf den piezoelektrischen Grundgleichungen basierende theoretische Berechnungen, die die Stetigkeit der mechanischen Verschiebungen und Spannungen an den Wandleroberflächen ausnutzen, einen Zusammenhang zwischen der akustischen Impedanz der umgebenden
Flüssigkeit und der Resonanzfrequenz. Aus dieser Relation kann die akustische Impedanz der Flüssigkeit bestimmt werden.
Die Bestimmung der akustischen Impedanz kann beim vorliegenden Verfahren durch eine entsprechende Berechnung nach Erhalt der gemessenen Resonanzfrequenzen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, für jeden eingesetzten Wandler bereits Vorberechnungen von akustischen Impedanzen für unterschiedliche Resonanzfrequenzen durchzuführen und in einer Tabelle abzuspeichern, so dass dann durch Vergleich der gemessenen Resonanzfrequenzen mit den Tabellenwerten direkt die akustische Impedanz erhalten werden kann.
Vorzugsweise erfolgt die Messung der Resonanz- frequenzen durch eine Messung des elektrischen
Widerstandes des in die Flüssigkeit eingebrachten Ultraschallwandlers als Funktion der Frequenz der den Wandler anregenden WechselSpannung. In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Messung durch eine Messung der Schwingungsamplitude des Ultraschall- wandlers als Funktion der Frequenz der anregenden WechselSpannung. Hierbei können jeweils ein oder mehrere Resonanzfrequenzen bestimmt werden. Die Bestimmung und Auswertung mehrerer Resonanzfrequenzen erhöht die Messgenauigkeit des Verfahrens. Die
Messgenauigkeit wird vor allem durch die Güte des eingesetzten Wandlers beeinflusst. Ein Ultraschallwandler höherer Güte weist schärfere Resonanzen auf, die somit genauer bestimmt werden können.
Zur Bestimmung der Dichte wird neben der Messung der Resonanzfrequenzen auch die Ultraschalllaufzeit in der Flüssigkeit gemessen. Aus den beiden Größen, der akustischen Impedanz und der ebenfalls mit hoher Genauigkeit messbaren Schallgeschwindigkeit, lässt sich dann unmittelbar die Dichte der Flüssigkeit mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Durchführung des vorliegenden Verfahrens, insbesondere die Bestimmung der akustischen Impedanz der Flüssigkeit aus den gemessenen Resonanzfrequenzen, wird nachfolgend anhand eines Beispiels in Verbindung mit den Figuren nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für eine Messanordnung zur Durchführung des vorliegenden
Verfahrens ; und
Fig. 2 eine Prinzipskizze eines piezoelektrischen Dickenschwingers in einer Flüssigkeit.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Beim vorliegenden Verfahren wird der Ultraschall- wandler 1 zunächst in die Flüssigkeit 2 eingetaucht, wie dies stark schematisiert in der Figur 1 zu erkennen ist. Dann wird der Ultraschallwandler 1 über ein Impedanzmessgerät 3 zur Messung elektrischer Widerstände mit einer elektrischen WechselSpannung U der Amplitude U0 und der Kreisfrequenz ω beaufschlagt und dadurch zu Dickenschwingungen angeregt. Im vorliegenden Beispiel kommt ein Dickenschwinger aus Bleimetaniobat mit den Abmessungen 22 x 12 x 0,3 mm als Ultraschall- wandler zum Einsatz. Durch Verändern der Anregungsfrequenz f = ω/2π wird mit dem Impedanzmessgerät 3 die elektrische Impedanz in einem vorgegebenen Frequenz- intervall gemessen. Die Messwerte werden an eine Auswerteeinheit 4 weitergeleitet, die aus dem Verlauf des Betrages der gemessenen elektrischen Impedanz als Funktion der Anregungsfrequenz die akustische Impedanz der Flüssigkeit berechnet. Im vorliegenden Beispiel wird hierzu die Lage der Serien- und der Parallel- resonanz, d. h. die Lage von Minima und Maxima der Impedanzbetragskurve, im Bereich der Grundresonanz der Dickenschwingung ausgewertet, wie im Folgenden näher ausgeführt wird. Die Detektion dieser Extremwerte wird durch die Auswerteeinrichtung 4 automatisiert durchgeführt .
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze eines für das Verfahren eingesetzten piezoelektrischen Dickenschwingers 1 in einer Flüssigkeit 2. Bei der hier aufgeführten Ableitung des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Resonanzfrequenzen und der akustischen Impedanz der Flüssigkeit wird angenommen, dass die Dicke des Piezowandlers 1 klein ist im Vergleich zu seinem Durchmesser, so dass die Berechnungen zur Veranschaulichung in guter Näherung eindimensional durchgeführt werden können. Figur 2 dient hierbei als Grundlage für die Berechnungen. Kommen Wandler mit anderen geometrischen Eigenschaften oder z.B. auch Biegeschwinger zum Einsatz, sind entsprechende den Gegebenheiten angepaßte Ableitungen des Zusammenhangs zwischen den gemessenen Resonanzfrequenzen und der akustischen Impedanz der umgebenden Flüssigkeit erforderlich .
Der piezoelektrische Ultraschallwandler 1 der Dicke d mit den Materialparametern Dichte pP, longi- tudinale Schallgeschwindigkeit vP, Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εP s und piezoelektrische Deformationskonstante hP wird in die Flüssigkeit 2 der Dichte pF und der Schallgeschwin- digkeit vF gehängt. Über Elektroden auf Wandlerober- und -Unterseite wird mit der elektrischen Wechsel- Spannung der Amplitude U0 und Kreisfrequenz ω U = Uoe -iωt (2 )
der Wandler 1 zu Dickenschwingungen angeregt. Messungen des elektrischen Widerstandes des Wandlers oder der Amplitude seiner Dickenschwingungen als Funktion der Frequenz f = ω/2π der anregenden Spannung liefern die entsprechenden Resonanzfrequenzen .
Ausgangspunkt für die Berechnungen sind die piezoelektrischen Grundgleichungen, hier zur
Beschreibung der Dickenschwingungen im eindimensionalen Fall,
Tj = Cj DSj - hjD-j , Sj = —j-, j = F, P (3)
OX
D1. Ej = -hjSj + —5- . (4) εJ
Der Index j kennzeichnet, in welchem der Materialien, Flüssigkeit F oder Piezowandler P, die Größen gelten sollen. Tj ist die mechanische Spannung, Sj die Verzerrung, Uj die mechanische Verschiebung, Dj die dielektrische Verschiebung und Ej das elektrische Feld im Wandler 1 bzw. der umgebenden Flüssigkeit 2. Die Materialparameter sind die elastische Konstante bei konstanter dielektrischer Verschiebung Cj D, die Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εj S und die piezoelektrische Deformationskonstante hj . Die elastische Konstante CjD und die akustische Impedanz Ij sind mit der Dichte pj und (longitudinaler) Schallgeschwindigkeit Vj verknüpft,
CjD = PjVj 2 , Ij= PjVj . (5) In der nicht-piezoelektrischen Flüssigkeit 2 ist die piezoelektrische Deformationskonstante hF gleich Null, und die elastische Konstante cF ist die Gleiche für konstante dielektrische Verschiebung D und konstantes elektrisches Feld E.
Die elektrische Spannung erzeugt Dickenschwingungen des Wandlers, die mit vorwärts und rückwärts laufenden mechanischen Verschiebungswellen im Wandler
uP(x,t) = APei(kpχ-ωt) + BPe-i(kpX+ωt), kP = ω/vp (6)
beschrieben werden können. Der schwingende Wandler strahlt in die umgebende Flüssigkeit vorwärts und rückwärts laufende Wellen ab,
uF(x,t) = BFe'i(k"x+ωt) , x < 0 , kF = ω/vF. (7b)
Aus Symmetriegründen müssen die vorwärts und rückwärts abgestrahlten Amplituden gleich sein, d.h.
Die mechanischen Verschiebungen und Spannungen sind an den Wandleroberflächen stetig,
BF = Ap + Bp, (8a)
Apeikpd+ BPe"iM = AFeiM, (8b) -ikFcFBF = ikPCpD (AP-BP) - hPD0/ (8c) ikpCpD (Apeikpd-BPe-ikpd) - hPD0 = ikFcFAFeiM . (8d) D0 ist die komplexe Amplitude der dielektrischen Verschiebung DP = Doe~iωt . Aus diesen Randbedingungen folgen die komplexen Amplituden der mechanischen Verschiebungen AF, BF, AP und BP relativ zu der komplexen Amplitude der dielektrischen Verschiebung D0 zu
aF = -bFe-iM, (9c)
D0 bF = aP(l-eikpd) . (9d) Dn
Das elektrische Feld im Wandler 1 über die Wandlerdicke integriert ist gleich der angelegten Spannung,
u
U = Uoe-iωt = JdxE(x). (10)
Dies liefert mit der piezoelektrischen Grund- gleichung (4) einen Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und mechanischen Schwingungen des Wandlers 1,
U . (H)
Der totale Strom J berechnet sich aus der
Ableitung der dielektrischen Verschiebung und der Wandlerfläche F zu
und man erhält aus den Gleichungen (11) und (12) den komplexen Widerstand des Wandlers 1
) i d 2hp2{lF(l - cos(kpd))-iIPsin(kpd)} ωF εP s OO2F{IF 2 (l - cos(kpd)) + Ip 2 (l + cos(kPd))} '
wenn gleichzeitig die Ergebnisse aus den Gleichungen
(9) eingesetzt werden. Seine Amplitude AR(ω) und Phase φR(ω) sind durch
AR(ω)2 = (Re R(ω))2+ (Im R(ω))2 , (14)
ImR(ω) tanφR(ω) =
ReR(ω)
gegeben. Die Einführung normierter Größen vereinfacht die Darstellung erheblich. Mit
ω d _ I„ _ hp 2εp s hp 2εp s x = kPd = , IQ = — , Cp = vP Ip vplp cr D
AN (x) = AR (ω) ^4f^ (15)
erhält man für das Quadrat der Amplitude des normierten Widerstandes
Die Resonanzen sind lokale Minima (Serienresonanz) und Maxima (Parallelresonanz) der Amplitude. Aus
4f (X) - x^ = o (17) dx
folgt die Bestimmungsgleichung der Resonanzfrequenzen zu
2 n 4CP (1 - cos x) - x (x + 3sin x) yf + 2 C P -
IQ (1 - COS X) + 1 + COS X
- 4 CP x CpSinx - x (l + cos x) e Q ( 18 )
|lQ 2 (1 - cos x) + 1 + cos x}
Diese letzte Gleichung wird nach IQ aufgelöst und zur Bestimmung der akustischen Impedanz der Umgebungs- flüssigkeit 2 auf Basis der gemessenen Resonanzfrequenzen eingesetzt. Die Berechnung wird durch die in Figur 1 dargestellte Auswerteeinrichtung 4 vorgenommen. Als Eingangsgrößen werden hierbei die geometrischen Abmessungen des Wandlers 1 sowie die vorangehend angegebenen Materialparameter Dichte p, longitudinale Schallgeschwindigkeit v, Dielektrizitätskonstante bei konstanter Verzerrung εs, piezoelektrische Deformationskonstante h sowie die elastische Konstante bei konstanter dielektrischer Verschiebung cD benutzt. Diese müssen für den eingesetzten Wandler 1 bekannt sein. Wird bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens nicht die elektrische Impedanz, sondern die Amplitude der Dickenschwingungen des Wandlers als Funktion der Anregungsfrequenz gemessen, so wird bei der Berechnung berücksichtigt, dass die Dickenschwingung des Wandlers die Differenz der Verschiebung an den beiden Oberflächen ist :
Δd = { aP ( eikpd - 1) + bP ( e-iM -l) } D0 e~iωt , (19)
Amplitude, Phase und Resonanzfrequenzen sind dabei analog zu den Rechnungen für den komplexen Widerstand zu bestimmen. Aus den Gleichungen ist zu ersehen, dass die Resonanzen des elektrischen Widerstandes nicht gleich denen der Dickenschwingung sind, diese aber natürlich miteinander zusammenhängen.
Eine Erweiterung der Rechnungen zur Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen kann durch Einbeziehung von Rückkoppel- effekten der elektrischen Spannungsquelle erfolgen. Diese Erweiterung lässt sich für den Fachmann ebenso problemlos analytisch durchführen. Hierzu wird bspw. auf S. Hirsekorn et al . , „Modeling of Graded 1-3
Composite Piezoelectic Transducers", Proc. of the 5th International Symposium on Functionally Graded Material, Dresden, Oct . 26-29, 1998, Trans. Tech. Publications, Switzerland, Materials Science Forum VoIs. 308-311 (1999), Seiten 521-526, oder auf S.
Hirsekorn et al . , „Modellierung der Eigenschaften von piezoelektrischen Keramik-Kunststoff-Kompositen mit Materialgradienten für den Bau von Ultraschall- Sensoren", DGZfP-Jahrestagung 1999, Berichtsband 68.1, DGZfP, Berlin (1999) , Seiten 337-347, verwiesen.
Zur Verifizierung der hier beispielhaft angeführten Gleichungen zur Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen wurde der eingesetzte Ultraschallwandler 1 zunächst in Luft vermessen. Anschließend wurde der Wandler 1 in einen Messbecher eingetaucht, der 150 ml destilliertes Wasser enthielt. In das Wasser wurden dann nacheinander 5 Einheiten von jeweils 10 ml Isopropanol hinzugegeben und durch Rühren gleichmäßig verteilt . Die Messungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst .
Die Messungen zeigen, dass sich sowohl die Serienais auch die Parallelresonanz mit zunehmendem Isopro- panolgehalt verschieben. Diese Verschiebung ist nicht monoton. Beide Resonanzen sinken zunächst ab und steigen dann wieder an. Eine Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis und somit der Dichte der Flüssigkeit ist dabei deutlich erkennbar. Aus diesen Resonanzfrequenzen lässt sich mit den vorangehend erläuterten Gleichungen die Impedanz der Flüssigkeit und bei bekannter Schallgeschwindigkeit auch die Dichte berechnen, die im vorliegenden Fall in guter Überein- Stimmung mit der bekannten Dichte der Mischungen ist.
Mit dem vorliegenden Verfahren wird somit die genaue Bestimmung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit ermöglicht. Mit Wandlern genügend hoher Güte lassen sich Resonanzfrequenzen genauer messen als Reflexions- und Transmissionsamplituden, was zu genaueren Ergebnissen zunächst für die Impedanz der umgebenden Flüssigkeit und in Verbindung mit Laufzeit- bzw. Schallgeschwindigkeitsmessungen, bei denen die Genauigkeit kein Problem darstellt, schließlich zu genaueren Ergebnissen für die Dichte führt. Beide Messverfahren können über geeignete Ultraschallwandler mit der zugehörigen Elektronik in ein einziges Messgerät integriert werden.
Bezugszeichenliste

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit mit folgenden Schritten:
- Einbringen eines Ultraschallwandlers (1) in die Flüssigkeit (2) ;
- Messung von ein oder mehreren Resonanzfrequenzen des Ultraschallwandlers (1) in der Flüssigkeit
(2) ; und
- Bestimmen der akustischen Impedanz der Flüssigkeit (2) aus den gemessenen Resonanzfrequenzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Resonanzfrequenzen durch eine Messung eines elektrischen Widerstandes des Ultraschallwandlers (1) als Funktion einer Frequenz einer den Ultraschallwandler (1) anregenden Wechselspannung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Resonanzfrequenzen durch eine Messung einer Schwingungsamplitude des Ultra- schallwandlers (1) als Funktion einer Frequenz einer den Ultraschallwandler (1) anregenden WechselSpannung erfolgt .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Ultraschallwandler (1) eingesetzt und die Bestimmung der akustischen Impedanz aus den gemessenen Resonanzfrequenzen auf Basis piezoelektrischer Grundgleichungen sowie mechanischer, elektrischer und geometrischer
Eigenschaften des Ultraschallwandlers (1) erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass ein piezoelektrischer Dickenschwinger als Ultraschallwandler (1) eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (2) gemessen und aus der gemessenen akustischen Impedanz und der gemessenen Schallgeschwindigkeit die Dichte der Flüssigkeit (2) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit über ein Ultraschall -Laufzeitverfahren gemessen wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108918661A (zh) * 2018-08-21 2018-11-30 中国科学院声学研究所东海研究站 一种粉末材料声速测量方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2189956B1 (de) 2008-11-21 2013-05-08 Hekatron Vertriebs GmbH Brandmelder und Verfahren zur Erkennung von Verschmutzungen
RU2529634C1 (ru) * 2013-07-26 2014-09-27 Владимир Александрович Чуприн Способ измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей
RU2672774C1 (ru) * 2017-07-17 2018-11-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" Способ измерения акустического импеданса среды и устройство для его осуществления
EP4101535A1 (de) * 2021-06-11 2022-12-14 AcouSort AB Akustofluidische vorrichtung mit konfiguration zur ermöglichung von resonanzfrequenzverfolgung und verfahren dafür
CN114813932A (zh) * 2022-03-21 2022-07-29 重庆医科大学 一种液体成分检测方法及系统

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4117716A (en) * 1974-06-17 1978-10-03 Honeywell Inc. Densitometer apparatus

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3571345B2 (ja) * 1993-10-29 2004-09-29 ユーエイチピー・コーポレイション 超音波方法により流体パラメータを測定する方法およびシステム
US5423319A (en) * 1994-06-15 1995-06-13 Hewlett-Packard Company Integrated impedance matching layer to acoustic boundary problems for clinical ultrasonic transducers
DE19535848C1 (de) * 1995-09-18 1996-07-25 Inst Automation Und Kommunikat Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien
DE19601944C2 (de) * 1996-01-11 1998-05-14 Ifak Inst Fuer Automation Und Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden
US6050141A (en) * 1998-08-28 2000-04-18 Computalog Research, Inc. Method and apparatus for acoustic logging of fluid density and wet cement plugs in boreholes
DE10137679C1 (de) * 2001-08-01 2002-12-19 Resonic Instr Ag Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung akustischer Parameter von Flüssigkeiten

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4117716A (en) * 1974-06-17 1978-10-03 Honeywell Inc. Densitometer apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of WO2004111629A1 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108918661A (zh) * 2018-08-21 2018-11-30 中国科学院声学研究所东海研究站 一种粉末材料声速测量方法
CN108918661B (zh) * 2018-08-21 2020-12-18 中国科学院声学研究所东海研究站 一种粉末材料声速测量方法

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