EP2591347A1 - Ultraschall-partikelmesssystem - Google Patents

Ultraschall-partikelmesssystem

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Publication number
EP2591347A1
EP2591347A1 EP11727163.5A EP11727163A EP2591347A1 EP 2591347 A1 EP2591347 A1 EP 2591347A1 EP 11727163 A EP11727163 A EP 11727163A EP 2591347 A1 EP2591347 A1 EP 2591347A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ultrasonic
ultrasonic transducer
acoustic
frequency
measuring system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11727163.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yaoying Lin
Beat Kissling
Wolfgang Drahm
Thomas Fröhlich
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Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP2591347A1 publication Critical patent/EP2591347A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
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    • G01N2291/02416—Solids in liquids

Definitions

  • Ultrasonic transducer is arranged in a measuring tube.
  • the ultrasonic transducers normally consist of an electromechanical transducer element, e.g. a piezoelectric element, also called piezo for short, and a coupling layer, also known as a coupling wedge or a rare lead body.
  • the coupling layer is usually made of plastic, the piezoelectric element is in industrial process measurement usually from a
  • the ultrasonic waves are generated and passed over the coupling layer to the pipe wall and passed from there into the liquid.
  • a further coupling layer may be arranged, a so-called adaptation layer.
  • Adaptation layer assumes the function of transmission of the
  • a measuring medium which are based on an ultrasonic measuring principle.
  • No. 6,481,268 shows such a measuring device with at least one ultrasonic transducer. The ultrasound signal emitted by the ultrasound transducer is reflected by particles in the measuring medium to the transducer and registered there as an echo.
  • One embodiment shows two
  • a further embodiment shows a single ultrasonic transducer with a coupling element, which is designed as a lens to the ultrasonic signal in Focus measuring tube. A measurement of the flow is not provided in this document.
  • Measuring tube determined with the Doppler measuring principle. Ultrasound signals are emitted in the form of waves, focused by an acoustic lens and reflected by particles in the measuring medium. Reflections are greatest in the immediate vicinity of the focus. From the frequency shift between the coupled and
  • the flow velocity of the liquid is determined.
  • US 5,533,408 discloses an ultrasonic flowmeter having a
  • each configured sensors are provided. Between the sensors of the two measuring principles is switched when exceeding or falling below a predetermined reading.
  • two ultrasonic transducers are proposed in the usual arrangement for a transit time difference measurement, wherein at least one of these ultrasonic transducers is so quickly switched from a transmitting state to a receiving state that he knows the reflections of his
  • the object of the invention is to provide a simple ultrasonic particle measuring system with which the number of particles per unit time and / or the particle size, from a predetermined order of magnitude, of particles in a measuring medium can be determined.
  • An ultrasonic particle measuring system has at least one
  • Ultrasonic transducer element in operation acoustic signals via the coupling element can be emitted and received.
  • the ultrasonic transducer element is e.g. arranged in a measuring tube so that the acoustic signals propagate along at least one signal path in the measuring tube, for example at an angle of 90 ° to the measuring tube axis or at a smaller angle.
  • the coupling element is designed as an acoustic lens.
  • the ultrasonic particle measuring system has an evaluation unit suitable for amplitude analysis of reflection signals of the acoustic signals reflected from the particles to the ultrasound transducer, the amounts of the amplitudes of the reflection signals received by the ultrasound transducer being determinable with the evaluation unit and the number of amplitudes in a predetermined time interval are counted, which are greater than a predetermined threshold value.
  • the evaluation unit is suitable for detecting and evaluating amplitudes of signals of the acoustic signals received by the ultrasound transducer element
  • Reflection signals which reflection signals from particles in the measuring medium to the ultrasonic transducer reflected back, emitted by the ultrasonic transducer acoustic signals.
  • the evaluation unit thus analyzes the amplitudes of these reflection signals received by the ultrasound transducer, wherein at least their magnitudes, which are greater than a predefined threshold value, can be determined and wherein at least their number can be counted in a predetermined time interval. From the amplitudes of the received reflection signals, which are greater than a predetermined threshold, the particle sizes of the particles are determined in the measuring medium. This is done via an assignment of
  • Amplitude amounts to particle sizes. Thus, only particles of a given Size can be determined. There is both a minimum size and a maximum size of the particles. If the particles are larger than the maximum size, they can no longer be differentiated in size. The maximum size results in
  • the lens Essentially by focusing the lens. From the number of amplitudes which amplitudes are greater than a predetermined threshold, the received reflection signals in a predetermined time interval, the
  • Measuring medium determined.
  • the coupling element is designed as an acoustic lens, for example as a plano-concave acoustic lens or as an acoustic Fresnel lens.
  • the coupling element has a first contact surface, which contacts the measuring medium during operation, and at least one further, second contact surface, on which the
  • the ultrasonic transducer element is arranged and fixed.
  • the first contact surface has, for example, a contour with an acoustically effective radius of curvature greater than 5 mm. In particular, this acoustically effective radius of curvature is greater than 10 mm. According to one embodiment, the acoustically effective
  • the radius of curvature depends on the measuring tube diameter and the material of the coupling element as well as the chemical composition and the physical properties of the measuring medium, since in particular the propagation velocity of the acoustic signal is dependent on the substance in which propagates the acoustic signal.
  • Lenses are conventionally limited by at least one ellipsoidal surface or sphere. A sphere has the same curvature everywhere, which is why lenses are definable over the curvature. The same applies to an ellipsoid.
  • Fresnel lenses Fresnel lenses are divided into several, for example annular sections, which in cross section through
  • the annular portions of a Fresnel lens form a section of a conventional lens having a predetermined radius of curvature. This is then advantageously equal to the acoustically effective radius of curvature.
  • the acoustically effective radii of curvature and the focal lengths of a lens are linked together via the refractive indices. These in turn depend on the speed of sound in the measuring medium or in the coupling element.
  • An advantage of a Fresnel lens may be the small thickness of the lens compared to conventional lenses. As a result, the coupling element is very thin
  • the ultrasonic transducer may be mounted in the measuring tube, wherein the
  • Coupling element of the ultrasonic transducer then contacts the measuring medium during operation, in particular with its first contact surface. It is therefore a so-called inline ultrasonic particle measuring system.
  • An ultrasonic particle measuring system according to the invention is used
  • Piping system behind a particulate filter, to monitor the function of the filter, e.g. for diagnosis, whether e.g. there are small leaks or how high the
  • Permeability of the filter to particles of a certain size e.g. from one
  • Diameter of 1 ⁇ is.
  • the diameter of the particles is based on a model concept. Actually, the reflective surface for that
  • the particles are assumed to be spheres in the model.
  • the particles are not larger than ⁇ ⁇ , in particular, they have a diameter not greater than 10 ⁇ , and the measured medium not cloudier than
  • the turbidity of the measuring medium is smaller than 10FNU, for example. If the measurement signal is very dim, the acoustic signal may be absorbed and flow measurement is no longer possible. Therefore, only measuring media should be measured which are still clear to the human eye. Here is no highly accurate turbidity measurement needed.
  • Malfunction can be provided by the existing ultrasonic particle measuring system, if it is designed according to the invention.
  • a further method according to the invention is the retrofitting of an already existing ultrasonic flow measuring system with at least one coupling element according to the invention, which is designed as a lens. It can be a complete ultrasonic transducer without a lens with a
  • an alarm can be output.
  • Ultrasonic particle measuring system not the turbidity of the medium to be determined according to one of the default standards for turbidity measurement, but only, as already described, the frequency of occurring in the medium from a certain size particles. It is more a particle counter than a turbidimeter. Since for the particle measurement the amplitudes of the
  • Reflections are evaluated on the particles without calculating a Doppler shift, the particles are still measurable even with very slowly flowing, and theoretically even when stationary medium.
  • the particles Due to the focusing by means of the acoustic lens, the particles are determined only in a small volume of the flow of the measuring medium in the measuring tube.
  • This volume depends on the acoustically effective radius of curvature of the lens ROC, the speed of sound in the lens Ci_ens and in the measuring medium CMedium and the wavelength of the acoustic signal A M edium-
  • the volume can be assumed to be cylindrical, for example, and is then referred to as a focal tube.
  • a ROC of 5 mm and a length of the focal tube of 0.5 mm and a Radius of the focal tube of 0.26 mm results in a volume 0.1 1 mm 3 .
  • an ultrasonic transducer element such as a piezoelectric element, limits the acoustic signal across its propagation direction at the moment of transmission.
  • the acoustic signals are reflected on the particles, which could also be referred to as the measurement volume.
  • the measurement volume In this volume, a very large proportion of the energy of the acoustic signal
  • the acoustic impedance of particles and measuring medium or the velocities of sound in their materials play a major role in the reflection. If the measuring medium and the particles have an identical acoustic impedance, no reflection results. The acoustic impedances must therefore be far enough apart that sufficient reflections result. With an increase or decrease of the threshold value, from which the amplitudes of the reflection signals are considered in more detail, it is thus also possible to adjust which type of particles should be taken into account.
  • the ultrasonic particle measuring system has a control unit which is suitable for exciting the ultrasonic transducer element for emitting at least two different acoustic signals in their respective frequency. These are radiated in particular approximately perpendicularly from the ultrasonic transducer element. If the ultrasound transducer element thus has e.g. a disc-shaped form, the acoustic signals are emitted normally. Is the disc-shaped
  • Ultrasonic transducer element then arranged parallel to a measuring tube axis, the acoustic signals are perpendicular to the measuring tube axis of
  • Ultrasonic transducer element emitted.
  • the frequency range of the emitted acoustic signals is adjustable, for example, between a lower and an upper limit.
  • the measurement frequency usually only one frequency will be used for the described measurement Particles used, hereinafter referred to as the measurement frequency. However, this is variable, between a first and at least one further, second frequency.
  • the measurement frequency and thus the first frequency and the second frequency, are in a range of 2 MHz to 10 MHz.
  • the resolution of the ultrasonic particle measuring system increases with the measuring frequency of the acoustic signals used for the measurement. Smaller particles can be detected with higher frequencies. Therefore, an embodiment according to the invention has a variable threshold value. This is set as a function of the application of the ultrasonic particle measuring system, for example set by the user, or it is predetermined as a function of the measuring medium. It may also be predetermined by the ultrasonic particle measurement system itself, e.g. depending on the amplitudes of the
  • the threshold value is predetermined as a function of the frequency of the acoustic signals generated by the ultrasonic transducer.
  • the measuring frequency can be set by the user, for example. Depending on the application, it makes the frequency settings. Alternatively, the ultrasonic particle measuring system itself adjusts the measuring frequency, for example by using from time to time all the frequencies of a given frequency range for the measurement and selecting the measuring frequency according to a given rule until the next time the measuring frequency is checked.
  • the ultrasonic particle measuring system has a
  • Control unit on, e.g. a microprocessor suitable for exciting the
  • Ultrasonic transducer element for emitting an acoustic signal of a first form, in particular a first burst signal sequence, and suitable for exciting the ultrasonic transducer element for emitting an acoustic signal of a second form, in particular a second burst signal sequence, which is different from the first form, in particular which first Burst signal sequence is therefore different from the second burst signal sequence.
  • the differences in the signals may be in the number of individual bursts in the burst bursts and / or in the spacing of the individual bursts in the burst bursts and / or be based in the pulse shapes of the individual burst signals.
  • the signal energy is lower than many bursts.
  • a corresponding amount of signal energy has to be transferred into the measuring medium.
  • very many bursts of fast order are sent to the measurement medium, this results in a narrowband signal, similar to a narrowband continuous signal.
  • the ultrasonic particle measuring system is designed such that the ratio of the focal length of the acoustic lens in aqueous measuring media to a diameter of the measuring tube is at least 0.2. According to one embodiment of the solution, the ratio is between 0.4 and 0.6.
  • the ultrasonic transducer is mounted in the measuring tube. In order not to influence the flow too much, it protrudes, if at all, into the measuring tube only to a small extent. Through the lens and its focus, the acoustic signal is bundled; a first signal cone is modeled. In the signal propagation direction after focusing, the acoustic signal is fanned out again, it widens.
  • a second signal cone is modeled, which touches the tip of the first cone of signal at the focal point of the lens - it creates, in the model, a double cone.
  • Coupling element of the ultrasonic transducer which is designed as an acoustic lens, resulting focus lengths of 15 mm to 60 mm, in measuring media with
  • the coupling element is made of a polymer, e.g. made of PEEK or PVC.
  • Ultrasonic transducer elements consist of e.g. from a piezoceramic or PVDF. It is according to a
  • the ultrasonic transducer element glued directly onto a second contact surface of the coupling element.
  • a customarily arranged between the coupling element and the ultrasonic transducer element matching layer is omitted.
  • a piezoceramic disk as an ultrasonic transducer element or a PVDF disk or PVDF film is therefore in direct contact with the coupling element, only with one Adhesive layer in between.
  • liquid couplings for example with grease or highly viscous oil instead of the adhesive are also conceivable.
  • At least the ultrasonic transducer element can be excited with a measuring frequency of at least 2 MHz.
  • Ultrasonic transducer elements excited at a certain resonant frequency They have a relatively narrow usable frequency range. Therefore, the reception frequency is usually in a range around the measurement frequency.
  • An advantage of a high measuring frequency are the small wavelengths of the resulting acoustic signal which increases the resolution during the particle measurement - small particles are registered, since these also reflect back an echo.
  • PVDF has a broader band than a piezoceramic. Furthermore, PVDF converters have a better signal-to-smoke ratio (SNR). However, the amplitudes are lower compared to piezoceramics, which is particularly disadvantageous for the detection of smaller particles.
  • SNR signal-to-smoke ratio
  • the selection of the ultrasonic transducer element is determined accordingly by the application of the ultrasonic particle measuring system. If a broadly usable frequency band, that is a large difference between the first and second frequency required by the application, or a precise adjustability to predetermined frequencies, PVDF is selected and used as an ultrasonic transducer element. If, on the other hand, high amplitudes are required, the result is one
  • Piezoceramic used as an ultrasonic transducer.
  • the measuring tube has an approximately circular cross section, having a diameter of at least 20mm, in particular at least 30mm. At the most it is
  • Measuring tube diameter for example 150mm or e.g. even only 120mm.
  • Ultrasonic transducer in particular its lens, is selected accordingly.
  • Measuring medium with an ultrasonic transducer according to the invention, which is arranged in a measuring tube, wherein the acoustic signals propagate along at least one signal path in the measuring tube, the acoustic signals to Detection of particles in the measuring medium by means of an amplitude analysis of reflection signals of the reflected from the particles to the ultrasonic transducer acoustic signals, so the reflections of the acoustic signal to the particles, generated by the ultrasonic transducer.
  • the acoustic signals generated by the ultrasonic transducer are focused according to the invention via an acoustic lens.
  • the acoustic lens has at least one focal point, which lies in a volume in the measuring tube. Acoustic signals are modeled along a straight signal path. In reality, their propagation depends on many factors and is eg club-shaped.
  • the particle sizes of the particles in the measuring medium at which these reflection signals were reflected are determined from the amplitudes of the received reflection signals, which are greater than a predefined threshold value.
  • the particle size is thus determined by the amount of the received amplitude of the reflection signal, or otherwise called the echo.
  • an alarm is output, when a predetermined threshold value and / or alarm is exceeded when exceeding a predetermined number of particles greater than a predetermined threshold value in a predetermined time interval.
  • the height of the predetermined threshold value is adaptable in operation, e.g. by the user, or she will
  • Measuring medium and the particles contained in the medium in particular their acoustic impedance compared to the acoustic impedance of
  • Reflection signals in a given time interval ie from their
  • the particle concentration is determined in the measuring medium.
  • the Ultrasonic transducer element provides a voltage signal which is processed in an evaluation unit. Of course, the ultrasonic transducer element also picks up noise, which is referred to as noise in the voltage signal. If a low-level value analysis of the signal is now carried out, only those values are processed further and thus recognized as particles which are above this level
  • a further development of the invention provides that the ultrasonic transducer is excited to a first burst signal sequence is excited to a second burst signal sequence, wherein the first burst signal sequence is different from the second burst signal sequence.
  • Particle measurement can be used.
  • the ultrasonic transducer is excited to a measuring frequency greater than 2 MHz.
  • Fig. 2 shows an ultrasonic transducer of an ultrasonic particle measuring system according to the invention.
  • inventive Ultraschall Operachenmesssystenn 1 is shown schematically.
  • An ultrasonic transducer 2 which emits and / or receives acoustic signals via a coupling element, is fastened in a measuring tube 8 at an angle to the measuring tube axis. This is a so-called inline measuring system.
  • the central axis through the ultrasound transducer 2 is intended here to characterize a signal path along which ultrasonic signals propagate.
  • the ultrasonic transducer 2 has an acoustic lens 10. By this ultrasonic signals are focused in the measuring tube 8.
  • the focal point of the acoustic lens 10 of the ultrasonic transducer 2 is in the volume for particle measurement 11. This volume 1 1 results from the focusing of the lens. It is here
  • a proper use of the ultrasonic particle measuring system according to the invention is e.g. in a pipeline system downstream of a filter, ie in the flow direction of the medium to be measured through the pipeline system downstream of the filter, e.g. to monitor the function of the filter.
  • Fig. 2 illustrates the structure of an ultrasonic transducer 2 according to the invention.
  • This comprises an ultrasonic transducer element 4, e.g. a high-frequency piezoceramic.
  • a PVDF disc can be used as the ultrasonic transducer element.
  • This ultrasonic transducer element 4 can convert both electrical signals into mechanical vibrations and thus into acoustic signals, as well as acoustic signals in electrical. It thus acts as a sensor and as an actuator.
  • the ultrasonic transducer element 4 transmits and receives acoustic signals via
  • Coupling element which is designed as an acoustic lens 10.
  • the coupling element or the acoustic lens 10 has a plurality of surfaces, a first
  • the ultrasonic transducer element 4 is for example directly to the second
  • the ultrasonic transducer element 4 is connected via two cables 13 and a plug-in connection 14 with a transmitter, not shown.
  • a so-called backing may be provided, a vibration damper, which is connected directly to the ultrasonic transducer element 4.
  • the connection space 12 is limited in this example by the housing 3 to the ultrasonic transducer element 4.
  • the lens 10 is here as a plano-concave lens, with a first contact surface 6, which has a predetermined radius of curvature, here e.g. 14 mm, and a flat second contact surface 7 configured. Similarly, the lens 10 could be considered
  • Fresnel lens be configured with a, having a contour, so a contoured first contact surface 6, which has a similar acoustically effective radius of curvature.
  • a Fresnel lens is in several segments or
  • the acoustically effective radii of curvature and the focal lengths of the lenses are linked to one another via the refractive indices, these being determined by the
  • the step height of a Fresnel lens is given for example by ⁇ * ⁇ / 2, with ⁇ of the
  • Wavelength of the acoustic signal in the coupling element and n of a natural number are a natural number.

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Abstract

Ultraschall-Partikelmesssystem (1), mit einem Ultraschallwandler (2), welcher zumindest ein Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein Koppelelement (5) aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement (4) im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, wobei das Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und dass das Ultraschall-Partikelmesssystem (1) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von Partikeln zum Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert.

Description

Ultraschall-Partikelmesssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Partikelmesssystenn, mit einem Ultraschallwandler, der zumindest ein Ultraschallwandlerelement und zumindest ein Koppelelement aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher
Ultraschallwandler in einem Messrohr angeordnet ist.
Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer
Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die
Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des
Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen. Nun sind auch Verfahren und Messgeräte zu Ermittlung von Konzentration und/oder Größe von Partikeln in einem Fluid als Messmedium bekannt geworden, welche auf einem Ultraschall-Messprinzip beruhen. Die US 6,481 ,268 zeigt eben ein solches Messgerät mit zumindest einem Ultraschallwandler. Das vom Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallsignal wird von Partikeln im Messmedium zu dem Wandler reflektiert und dort als Echo registriert. Eine Ausgestaltung zeigt zwei sich
gegenüberstehende Ultraschallwandler an einem Messrohr, welche die
Ultraschallsignale im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse senden und/oder empfangen. Eine weitere Ausgestaltung zeigt einen einzelnen Ultraschallwandler mit einem Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist, um das Ultraschallsignal im Messrohr zu fokussieren. Eine Messung des Durchflusses ist in diesem Dokument nicht vorgesehen.
In einer weiteren Patentschrift des Stands der Technik, der US 5,251 ,490 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät gezeigt, welches den Durchfluss durch ein
Messrohr mit dem Doppler-Messprinzip ermittelt. Ultraschallsignale werden in Form von Wellen ausgesandt, von einer akustischen Linse fokussiert und an Partikeln im Messmedium reflektiert. Die Reflektionen sind am größten im direkten Umfeld des Fokus'. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und
reflektierten Wellen wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt.
Die US 5,533,408 offenbart ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer
Kombination aus Laufzeitdifferenz-Prinzip und Doppler-Prinzip. Dazu sind jedoch jeweils dafür ausgestaltete Sensoren bereitgestellt. Zwischen den Sensoren der beiden Messprinzipien wird bei über- bzw. unterschreiten eines vorgegebenen Messwerts umgeschaltet.
In der WO 03/102512 A1 wir ein Verfahren vorgeschlagen zur
Laufzeitdifferenzmessung eines strömenden Fluids, wobei zusätzlich die Reflexionen des Ultraschallsignals an Partikeln im Fluid ermittelt werden, um daraus die
Konzentration der Partikel zu ermitteln. Dazu werden zwei Ultraschallwandler in der üblichen Anordnung für eine Laufzeitdifferenzmessung vorgeschlagen, wobei zumindest einer dieser Ultraschallwandler so schnell von einem Sendezustand zu einem Empfangszustand umschaltbar ist, dass er die Reflexionen seines
ausgesandten Signals an den Partikeln im Fluid empfangen kann oder es sind zusätzliche Ultraschallwandler vorgesehen, welche so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen empfangen können. Zur Ermittlung der Konzentration und der Größe der Partikel im Messmedium wird vorgeschlagen, die Doppler-Verschiebung der sich bewegenden Partikel auszuwerten. Eine Messung in stehendem Messmedium ist somit nicht möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ultraschall- Partikelmesssystem bereit zu stellen, mit welchem die Partikelanzahl pro Zeiteinheit und/oder die Partikelgröße, ab einer vorgegebenen Größenordnung, von Partikeln in einem Messmedium ermittelbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 , des Anspruchs 1 1 und des Anspruchs 15. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungen finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wider.
Ein Ultraschall-Partikelmesssystem gemäß Anspruch 1 weist zumindest ein
Ultraschallwandlerelement und zumindest ein Koppelelement auf, wobei vom
Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement aussendbar und empfangbar sind. Das Ultraschallwandlerelement ist z.B. in einem Messrohr so angeordnet, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr ausbreiten, beispielsweise unter einem Winkel von 90° zur Messrohrachse oder auch in einem kleineren Winkel. Das Koppelelement ist dabei als akustische Linse ausgestaltet. Weiterhin weist das Ultraschall- Partikelmesssystem eine Auswerteeinheit auf, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signalen, wobei mit der Auswerteeinheit die Beträge der Amplituden der vom Ultraschallwandler empfangenen Reflexionssignale ermittelbar sind und wobei mit der Auswerteinheit die Anzahl der Amplituden in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert.
Die Auswerteeinheit ist geeignet zur Erfassung und zur Auswertung von Amplituden von Signalen der vom Ultraschallwandlerelement empfangenen akustischen
Reflexionssignale, welche Reflexionssignale von Partikeln im Messmedium zum Ultraschallwandler zurück reflektierte, vom Ultraschallwandler ausgesandte akustische Signale sind. Mit der Auswerteeinheit werden also die Amplituden dieser, vom Ultraschallwandler empfangenen, Reflexionssignale analysiert, wobei zumindest deren Beträge, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, ermittelbar sind und wobei zumindest deren Anzahl in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind. Aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, werden die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt. Dies erfolgt über eine Zuordnung der
Amplitudenbeträge zu Partikelgrößen. Somit sind nur Partikel einer vorgegebenen Größe ermittelbar. Es gibt sowohl eine Mindestgröße, als auch eine maximale Größe der Partikel. Sind die Partikel größer als die maximale Größe können diese nicht mehr in ihrer Größe differenziert werden. Die maximale Größe ergibt sich im
Wesentlichen durch die Fokussierung der Linse. Aus der Anzahl der Amplituden, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, wird die
Parti kelkonzentration von Partikeln einer vorgegebenen Mindestgröße in dem
Messmedium ermittelt.
Das Koppelelement ist als akustische Linse ausgestaltet, beispielsweise als plankonkave akustische Linse oder als akustische Fresnel-Linse. Das Koppelelement weist eine erste Kontaktfläche auf, welche im Betrieb das Messmedium kontaktiert, und zumindest eine weitere, zweite Kontaktfläche, auf welcher das
Ultraschallwandlerelement angeordnet und befestigt ist. Die erste Kontaktfläche weist beispielsweise eine Kontur mit einem akustisch wirksamen Krümmungsradius größer 5 mm auf. Insbesondere ist dieser akustisch wirksame Krümmungsradius größer 10 mm. Gemäß einer Ausführung beträgt der akustisch wirksame
Krümmungsradius höchstens 150 mm, insbesondere höchstens 50 mm. Der
Krümmungsradius ist abhängig vom Messrohrdurchmesser und vom Werkstoff des Koppelelements sowie der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des Messmediums, da insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeit des akustischen Signals abhängig ist von dem Stoff, in welchem sich das akustische Signal ausbreitet. Linsen sind herkömmlicherweise durch mindestens eine ellipsoide Fläche oder eine Kugelfläche begrenzt. Eine Kugel weist überall die gleiche Krümmung auf, weshalb Linsen über die Krümmung definierbar sind. Ähnliches gilt für einen Ellipsoid. Eine Ausnahme bilden beispielsweise die Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen sind in mehrere, beispielsweise ringförmige Abschnitte aufgeteilt, welche im Querschnitt durch
Prismen angenähert werden können. Idealerweise bilden die ringförmigen Abschnitte einer Fresnel-Linse einen Ausschnitt aus einer herkömmlichen Linse mit einem vorgegebenen Krümmungsradius. Dieser ist dann vorteilhaft gleich dem akustisch wirksamen Krümmungsradius. Natürlich sind die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten einer Linse über die Brechzahlen miteinander verknüpft. Diese hängen wiederum ab von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement. Ein Vorteil einer Fresnel-Linse kann die geringe Dicke der Linse im Vergleich zu herkömmlichen Linsen sein. Dadurch ist das Koppelelement sehr dünn
auszugestalten, wodurch es als Anpassungsschicht zwischen Messmedium und Ultraschallwandlerelement wirken kann, indem es die Impedanzen beider
Kontaktpartner einander anpasst. Ein anderer Vorteil ergibt sich durch eine spezielle Ausgestaltung der Fresnel-Linse. Sie weist einzelne Stufen mit einer jeweiligen Höhe auf, welche jeweils näherungsweise η*λ/2 betragen, mit n einer natürlichen Zahl und λ der Wellenlänge des akustischen Signals in der Linse. Die Linse ist also quasi als λ/2-Anpassungsschicht ausgeführt, was eine verbesserte Transmission des akustischen Signals im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse nach sich führt.
Der Ultraschallwandler kann in dem Messrohr befestigt sein, wobei das
Koppelelement des Ultraschallwandlers dann das Messmedium im Betrieb berührt, insbesondere mit seiner ersten Kontaktfläche. Es handelt sich daher um ein so genanntes Inline-Ultraschall-Partikelmesssystem.
Verwendet wird ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem
insbesondere in einer Anlage der Prozessindustrie, insbesondere in einem
Rohrleitungssystem hinter einem Partikelfilter, zur Überwachung der Funktion des Filters, z.B. zur Diagnose, ob z.B. kleine Lecks vorliegen oder wie hoch die
Durchlässigkeit des Filters für Partikel ab einer bestimmten Größe, z.B. ab einem
Durchmesser von 1 μηη, ist. Den Durchmesser der Partikel heranzuziehen, basiert auf einer Modellvorstellung. Eigentlich ist die reflektierende Fläche für das
Reflexionssignal ausschlaggebend. Jedoch werden die Partikel im Modell als Kugeln angenommen. Dabei sind die Partikel nicht größer Ι ΟΟμηη, insbesondere weisen sie einen Durchmesser nicht größer 10μηη auf, und das Messmedium nicht trüber als
100FNU, oder die Trübung des Messmediums ist z.B. kleiner 10FNU. Bei einem sehr trüben Messsignal würde das akustische Signal möglicherweise absorbiert werden, und eine Durchflussmessung ist nicht mehr möglich. Daher sollten nur Messmedien gemessen werden, welche für das menschliche Auge noch klar erscheinen. Hier wird keine hochgenaue Trübungsmessung benötigt. Einen ersten Hinweis auf eine
Fehlfunktion kann das vorhandene Ultraschall-Partikelmesssystem liefern, wenn es erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist die Nachrüstung eines bereits vorhandenen Ultraschall-Durchflussmesssystems mit zumindest einem erfindungsgemäßen Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist. Es kann dabei ein kompletter Ultraschallwandler ohne Linse mit einem
erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ersetzt werden, oder das Koppelelement wird ausgetauscht. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Höhe des
vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar und/oder bei Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts ist ein Alarm ausgebbar.
Im Unterschied zu Trübungsmesssystem kann mit einem erfindungsgemäßen
Ultraschall-Partikelmesssystem nicht die Trübung des Messmediums nach einem der vorgegebenen Standards zur Trübungsmessung ermittelt werden, sondern lediglich, wie bereits beschrieben, die Häufigkeit von im Messmedium auftretenden Partikeln ab einer bestimmten Größe. Es handelt sich also mehr um einen Partikelzähler als um ein Trübungsmessgerät. Da für die Partikelmessung die Amplituden der
Reflexionen an den Partikeln ausgewertet werden, ohne eine Doppler-Verschiebung zu berechnen, sind die Partikel auch bei sehr langsam fließendem, theoretisch auch bei stehendem Medium noch messbar.
Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse werden die Partikel nur in einem kleinen Volumen der Strömung des Messmediums im Messrohr bestimmt. Dieses Volumen ist abhängig vom akustisch wirksamen Krümmungsradius der Linse ROC, den Schallgeschwindigkeiten in der Linse Ci_ens und im Messmedium CMedium und der Wellenlänge des akustischen Signals AMedium- Das Volumen kann dabei z.B. als zylindrisch angenommen werden und wird dann als Fokalschlauch bezeichnet. Der Radius dieses Fokalschlauchs um den Brennpunkt errechnet sich beispielsweise zu r0 = , mit a dem Radius des Ultraschallwandlerelements und
a . Mit
c medium
einem ROC von 5 mm einer Länge des Fokalschlauchs von 0,5 mm und einem Radius des Fokalschlauchs von 0,26 mm ergibt sich ein Volumen 0,1 1 mm3.
Angenommen der ROC beträgt 50 mm, Länge und Radius sind 50,1 mm und 2,6 mm beträt das Volumen bereits 1064 mm3. In diesen Beispielen wird das
Ultraschallwandlerelement als kreisförmig angenommen. Der Radius des
Ultraschallwandlerelements, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, begrenzt natürlich das akustische Signal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Moment des Aussendens. In diesem Volumen werden die akustischen Signale an den Partikeln reflektiert, womit es auch als Messvolumen bezeichnet werden könnte. In diesem Volumen wird ein sehr großer Anteil der Energie des akustischen Signals
konzentriert. Es können nur Partikel gemessen werden, an welchen die akustischen Signale ausreichend reflektiert werden. Dies ist beispielsweise an den meisten festen Partikeln der Fall. Für die Reflexion spielt neben dem Einfallswinkel des akustischen Signals auf die Oberfläche eines Partikels, die akustische Impedanz von Partikel und Messmedium bzw. die Schallgeschwindigkeiten in deren Materialen eine große Rolle. Haben Messmedium und Partikel eine identisch akustische Impedanz, ergibt sich keine Reflexion. Die akustischen Impedanzen müssen also soweit auseinander liegen, dass sich ausreichende Reflexionen ergeben. Mit einer Anhebung oder Absenkung des Schwellwerts, ab welchem die Amplituden der Reflexionssignale eingehender betrachtet werden, kann somit auch verstellt werden, welche Art von Partikeln berücksichtigt werden soll.
Das Ultraschall-Partikelmesssystem weist eine Steuereinheit auf, welche geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements zum Aussenden von zumindest zwei in ihrer jeweiligen Frequenz unterschiedlicher akustischer Signale. Diese werden insbesondere näherungsweise senkrecht vom Ultraschallwandlerelement abgestrahlt. Weist das Ultraschallwandlerelement also z.B. eine scheibenförmige Form auf, werden die akustischen Signale normal ausgesendet. Ist das scheibenförmige
Ultraschallwandlerelement dann parallel zu einer Messrohrachse angeordnet, werden die akustischen Signale senkrecht zur Messrohrachse vom
Ultraschallwandlerelement ausgesandt.
Der Frequenzbereich der ausgesandten akustischen Signale ist dabei beispielsweise variabel zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert einstellbar.
Üblicherweise wird nur eine Frequenz wird für die beschriebene Messung der Partikel verwendet, nachfolgend Messfrequenz genannt. Diese ist jedoch variabel, zwischen einer ersten und zumindest einer weiteren, zweiten Frequenz.
Insbesondere liegen die Messfrequenz, und damit die erste Frequenz und die zweite Frequenz, in einem Bereich von 2 MHz bis 10 MHz. Die Auflösung des Ultraschall- Parti kelmesssystems steigt mit der Messfrequenz der zur Messung genutzten akustischen Signale. Kleinere Partikel sind mit höheren Frequenzen zu detektieren. Daher weist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einen variablen Schwellwert auf. Dieser wird in Abhängigkeit der Applikation des Ultraschall-Partikelmesssystems, beispielsweise vom Benutzer eingestellt, vorgegeben oder er wird in Abhängigkeit des Messmediums vorgegeben. Er kann auch vom Ultraschall-Partikelmesssystem selbst vorgegeben werden, z.B. in Abhängigkeit der Amplituden der
Reflexionssignale der von den Partikeln im Messmedium zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale. Insbesondere wird der Schwellwert in Abhängigkeit der Frequenz der vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale vorgegeben.
Die Messfrequenz ist beispielsweise vom Benutzer einstellbar. Je nach Applikation nimmt er die Frequenzeinstellungen vor. Alternativ nimmt das Ultraschall- Partikelmesssystem die Einstellung der Messfrequenz selbst vor, beispielsweise indem es von Zeit zu Zeit alle Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzbereichs zur Messung nutzt und nach einer vorgegebenen Vorschrift die Messfrequenz auswählt, bis zum nächsten Zeitpunkt der Überprüfung der Messfrequenz.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das Ultraschall-Partikelmesssystem eine
Steuereinheit auf, z.B. einen Mikroprozessor, geeignet zur Anregung des
Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer ersten Form, insbesondere einer ersten Burst-Signalfolge, und geeignet zur Anregung des Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer zweiten Form, insbesondere einer zweiten Burst-Signalfolge, welche von der ersten Form verschieden ist, insbesondere welche erste Burst-Signalfolge also von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. Neben kontinuierlichen Signalen, so genannten continuous waves, werden Burst-Signale zur Laufzeitdifferenzmessung mittels
Ultraschall eingesetzt. Hier nun zur Partikelbestimmung. Die Unterschiede in den Signalen können in der Anzahl der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Abständen der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Pulsformen der einzelnen Burst-Signale begündet sein. Bei nur wenigen Bursts in einer Burst-Signalfolge ist die Signal-Energie geringer als bei vielen Bursts. Um eine ausreichende Amplitude der Reflexion zu erhalten, muss entsprechend viel Signalenergie in das Messmedium übertragen werden. Werden hingegen sehr viele Bursts schneller Reihenfolge ins Messmedium gesendet, ergibt sich dadurch ein schmalbandiges Signal, ähnlich einem schmalbandigen kontinuierlichen Signal.
Weitergebildet ist das Ultraschall-Partikelmesssystem so ausgestaltet, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt. Gemäß einer Ausgestaltung der Lösung liegt das Verhältnis zwischen 0,4 und 0,6. Der Ultraschallwandler ist im Messrohr angebracht. Um die Strömung nicht zu sehr zu beeinflussen, ragt er, wenn überhaupt, nur zu einem geringen Teil in das Messrohr hinein. Durch die Linse und deren Fokussierung wird das akustische Signal gebündelt; es entsteht modellhaft ein erster Signalkegel. In Signalausbreitungsrichtung nach der Fokussierung wird das akustische Signal wieder aufgefächert, es wird breiter. Somit entsteht modellhaft ein zweiter Signalkegel, welcher mit seiner Spitze die Spitze des ersten Signalkegels im Brennpunkt der Linse berührt - es entsteht, im Modell, ein Doppelkegel. Mit Krümmungsradien der akustischen Linse des Ultraschallwandlers von 5 mm bis 50 mm und Schallgeschwindigkeiten von ca. 2000 m/s bis ca. 3000 m/s im
Koppelelement des Ultraschallwandlers, welches als akustische Linse ausgestaltet ist, ergeben sich Fokuslängen von 15 mm bis 60 mm, bei Messmedien mit
Schallgeschwindigkeiten im Messmedium von 1 100 m/s bis 1900 m/s.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Koppelelement aus einem Polymer, z.B. aus PEEK oder PVC, gefertigt ist. Ultraschallwandlerelemente bestehen z.B. aus einer Piezokeramik oder PVDF. Dabei ist gemäß einer
Ausgestaltung das Ultraschallwandlerelement direkt auf eine zweite Kontaktfläche des Koppelelements geklebt. Auf eine üblicherweise zwischen Koppelelement und Ultraschallwandlerelement angeordnete Anpassungsschicht wird verzichtet. Eine Piezokeramikscheibe als Ultraschallwandlerelement oder eine PVDF-Scheibe oder PVDF-Folie steht also in direktem Kontakt mit dem Koppelelement, nur mit einer Klebstoffschicht dazwischen. Andererseits sind auch Flüssig-Ankopplungen z.B. mit Fett oder hochviskosem Öl anstelle des Klebers denkbar.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist zumindest das Ultraschallwandlerelement mit einer Messfrequenz von mindestens 2 MHz anregbar. Meist werden
Ultraschallwandlerelemente bei einer bestimmten Resonanzfrequenz angeregt. Sie besitzen einen relativ schmalen nutzbaren Frequenzbereich. Daher liegt auch die Empfangsfrequenz üblicherweise in einem Bereich um die Messfrequenz. Ein Vorteil einer hohen Messfrequenz sind die kleinen Wellenlängen des resultierenden akustischen Signals wodurch die Auflösung bei der Partikelmessung steigt - es werden kleine Partikel registriert, da auch diese ein Echo zurückreflektieren.
PVDF ist breitbandiger als eine Piezokeramik. Des Weiteren weisen PVDF-Wandler ein besseres Signal-Rauch-Verhältnis (SNR) auf. Jedoch sind die Amplituden geringer im Vergleich zu Piezokeramiken, was insbesondere zur Detektion von kleineren Partikeln nachteilig ist. Die Auswahl des Ultraschallwandlerelements wird entsprechend durch die Applikation des Ultraschall-Partikelmesssystem bestimmt. Ist ein breit nutzbares Frequenzband, also eine große Differenz zwischen erster und zweiter Frequenz applikationsbedingt erforderlich, oder eine genaue Einstellbarkeit auf vorgegebene Frequenzen, wird PVDF als Ultraschallwandlerelement ausgewählt und eingesetzt. Sind hingegen hohe Amplituden von Nöten, wird auf eine
Piezokeramik als Ultraschallwandler zurückgegriffen.
In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Parti kelmesssystem ist vorgesehen, dass das Messrohr einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20mm, insbesondere mindestens 30mm aufweist. Höchstens beträgt der
Messrohrdurchmesser beispielsweise 150mm oder z.B. gar nur 120mm. Der
Ultraschallwandler, insbesondere dessen Linse, wird entsprechend ausgewählt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung von Partikeln in dem
Messmedium, mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, welcher in einem Messrohr angeordnet ist, wobei sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr ausbreiten, werden die akustischen Signale zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale, also den Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln, vom Ultraschallwandler erzeugt. Die vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale werden erfindungsgemäß über eine akustische Linse fokussiert. Die akustische Linse weist dabei zumindest einen Brennpunkt auf, welcher in einem Volumen im Messrohr liegt. Akustische Signale breiten sich modellhaft entlang eines geraden Signalpfads aus. In der Realität ist deren Ausbreitung abhängig von vielen Faktoren und ist z.B. keulenförmig.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt, an welchen diese Reflexionssignale reflektiert wurden. Die Partikelgröße wird somit über den Betrag der empfangenen Amplitude des Reflexionssignals, oder anders genannt, des Echos, ermittelt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird beispielsweise ein Alarm ausgegeben, bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts und/oder Alarm ausgegeben bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Partikeln größer eines vorgegebenen Schwellwerts in einem vorgegebenem zeitlichen Intervalls.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar, z.B. durch den Benutzer, oder sie wird
automatisch angepasst abhängig von Prozessparametern wie z.B. dem
Messmedium und den in dem Messmedium befindlichen Partikeln, insbesondere deren akustische Impedanzen im Vergleich zur akustischen Impedanz des
Messmediums. In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
vorgeschlagen, dass aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen
Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, also aus deren
Häufigkeit, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Parti kelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird. Das Ultraschallwandlerelement liefert ein Spannungssignal, welches in einer Auswerteinheit verarbeitet wird. Natürlich nimmt das Ultraschallwandlerelement auch Störungen auf, welche in dem Spannungssignal als Rauschen bezeichnet werden. Wird nun eine Schwel Iwertanalyse des Signals durchgeführt, werden nur diejenigen Werte weiterverarbeitet und somit als Partikel erkannt, welche über diesem
vorgegebenen Schwellwert liegen. Diese Amplituden oder Peaks werden einerseits gezählt und damit auf die Partikelhäufigkeit geschlossen und andererseits über deren Betrag die Partikelgröße bestimmt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallwandler zu einer ersten Burst-Signalfolge angeregt wird zu einer zweiten Burst-Signalfolge angeregt wird, wobei die erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. So können zwei verschiedene Burst-Signalfolgen für die
Partikelmessung verwendet werden.
In einer weiteren Verfahrensweiterbildung wird zumindest der Ultraschallwandler zu einer Messfrequenz größer 2 MHz angeregt. Die Messfrequenz kann auch höher als 5 oder 10 MHz sein, z.B. auch 20 MHz. Da für die Wellenlänge des akustischen Signals gilt: λ = c/f, mit c der Schallgeschwindigkeit und f der Messfrequenz, ist die Wellenlänge kleiner bei einer höheren Messfrequenz und sonst gleichen
Bedingungen. Dadurch sind kleinere Partikel detektierbar. Ist die Messfrequenz viel größer als 20 MHz ist die Absorption des akustischen Signals im Messmedium sehr hoch, auch wenn nur wenige Partikel im Messmedium enthalten sind. Ein
ausreichend starkes akustisches Signal zur Durchflussmessung scheint dann nur sehr schwer zu realisieren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem,
Fig. 2 zeigt einen Ultraschallwandler eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Partikelmesssystems. In Fig. 1 ist erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystenn 1 schematisch dargestellt. Ein Ultraschallwandler 2, welcher über ein Koppelelement akustische Signale aussendet und/oder empfängt, ist unter einem Winkel zur Messrohrachse in einem Messrohr 8 befestigt. Es handelt sich hierbei um ein so genanntes Inline- Messsystem. Die Mittelachse durch den Ultraschallwandler 2 soll hier modellhaft einen Signalpfad kennzeichnen, entlang welchem sich Ultraschallsignale ausbreiten.
Der Ultraschallwandler 2 weist eine akustische Linse 10 auf. Durch diese werden Ultraschallsignale im Messrohr 8 fokussiert. Der Brennpunkt der akustischen Linse 10 des Ultraschallwandlers 2 liegt in dem Volumen zur Partikelmessung 1 1 . Dieses Volumen 1 1 ergibt sich aus der Fokussierung der Linse. Es ist hier
rotationssymmetrisch um den Signalpfad 9 und im dargestellten Querschnitt im
Wesentlichen elliptisch gezeichnet. In diesem Volumen werden Partikel durch
Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln registriert.
Eine bestimmungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Partikel messsystems ist z.B. in einem Rohrleitungssystem stromabwärts eines Filters, also in Strömungsrichtung des Messmediums durch das Rohrleitungssystem nach dem Filter, z.B. zur Funktionsüberwachung des Filters.
Fig. 2 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 2. Dieser weist ein Ultraschallwandlerelement 4 auf, z.B. eine Hochfrequenz- Piezokeramik. Alternativ ist auch eine PVDF-Scheibe als Ultraschallwandlerelement verwendbar. Dieses Ultraschallwandlerelement 4 kann sowohl elektrische Signale in mechanische Schwingungen und damit in akustische Signale wandeln, als auch akustische Signale in elektrische. Es fungiert somit als Sensor und als Aktor. Das Ultraschallwandlerelement 4 sendet und empfängt akustische Signale über ein
Koppelelement, welches als akustische Linse 10 ausgestaltet ist. Das Koppelelement bzw. die akustische Linse 10 weist mehrere Oberflächen auf, eine erste
Kontaktfläche 6, welche im Betrieb das Messmedium im Messrohr berührt und eine zweite Kontaktfläche 7, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 steht. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist beispielsweise direkt auf die zweite
Kontaktfläche 7 der akustischen Linse 10 geklebt, ohne eine weitere
Anpassungsschicht dazwischen. Dies soll hier jedoch nicht ausgeschlossen werden. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist über zwei Kabel 13 und einen Steckanschluss 14 mit einem nicht dargestellten Messumformer verbunden. In dem Anschlussraum 12 im Ultraschallwandler 2 hinter dem Ultraschallwandlerelement 4 kann ein so genanntes Backing vorgesehen sein, ein Schwingungsdämpfer, welcher direkt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 verbunden ist. Der Anschlussraum 12 wird in diesem Beispiel durch das Gehäuse 3 um das Ultraschallwandlerelement 4 begrenzt.
Die Linse 10 ist hier als plankonkave Linse, mit einer ersten Kontaktfläche 6, welche einen vorgegebenen Krümmungsradius, hier z.B. 14 mm aufweist, und einer ebenen zweiten Kontaktfläche 7 ausgestaltet. Gleichermaßen könnte die Linse 10 als
Fresnel-Linse ausgestaltet sein, mit einer, eine Kontur aufweisende, also einer konturierten ersten Kontaktfläche 6, welche einen gleichartig akustisch wirksamen Krümmungsradius aufweist. Eine Fresnel-Linse ist in mehrere Segmente bzw.
Abschnitte unterteilt, welche zusammen diese Kontur mit dem akustisch wirksamen Krümmungsradius bilden.
Die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten der Linsen sind über die Brechzahlen miteinander verknüpft, wobei diese von den
Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement abhängen. Die Stufenhöhe einer Fresnel-Linse ist beispielsweise gegeben durch η*λ/2, mit λ der
Wellenlänge des akustischen Signals im Koppelelement und n einer natürlichen Zahl.
Bezugszeichenliste
1 Ultraschall-Partikelmesssystenn
2 Ultraschallwandler
3 Ultraschallwandlergehäuse
4 Ultraschallwandlerelement
5 Koppelelement
6 Erste Kontaktfläche des Koppelelements
7 Zweite Kontaktfläche des Koppelelements
8 Messrohr
9 Signalpfad
10 Akustische Linse
1 1 Volumen zur Partikelmessung
12 Anschlussraum im Ultraschallwandler
13 Kabel
14 Steckanschluss

Claims

Patentansprüche
1 . Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ), mit einem Ultraschallwandler (2), welcher zumindest ein Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein
Koppelelement (5) aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement (4) im
Betrieb akustische Signale über das Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, wobei das Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und wobei das Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von
Reflexionssignalen der von Partikeln zum Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von
Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschallwandlerelement (4) geeignet ist, ein erstes akustisches
Signal einer ersten Frequenz auszusenden, und dass das
Ultraschallwandlerelement (4) geeignet ist, ein zweites akustisches Signal einer zweiten Frequenz auszusenden, und dass das Ultraschall- Partikelmesssystem (1 ) eine Steuereinheit aufweist, welche geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden des ersten akustischen Signals und welche Steuereinheit geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden des zweiten akustischen Signals, wobei die erste Frequenz ungleich der zweiten Frequenz ist.
2. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Frequenz zumindest 2 MHz beträgt und dass die zweite Frequenz höchstens 10 MHz beträgt.
3. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ultraschallwandler (4) in einem Messrohr (8) so angeordnet ist, und dass der Ultraschallwandler (4) zum Aussenden des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals entlang eines gemeinsamen Signalpfads (9) so angeregt ist, dass der Signalpfad (9) einen Winkel von 90c zu einer Messrohrachse aufweist.
4. Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ) so ausgestaltet ist, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt.
5. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Koppelelement (5) als plankonkave akustische Linse ausgestaltet ist.
6. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Koppelelement (5) als akustische Fresnel-Linse
ausgestaltet ist.
7. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das Koppelelement (5) aus einem Polymer gefertigt ist.
8. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschallwandlerelement (4) direkt auf eine zweite Kontaktfläche (6) des Koppelelements (5) geklebt ist.
9. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Frequenz und die zweite Frequenz einstellbar sind.
10. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (8) einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20mm.
1 1 .Verfahren zur Erfassung von Partikeln in einem Messmedium, mit einem
Ultraschallwandler (2), welcher in einem Messrohr (8) angeordnet ist, wobei akustische Signale vom Ultraschallwandler (2) zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale erzeugt werden, wobei zumindest die vom Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale über eine akustische Linse fokussiert werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz der vom Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale nach einer vorgegebenen Vorschrift innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt werden, wobei aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, welche Amplituden größer sind als der vorgegebene Schwellwert, die
Partikelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Schwellwert in Abhängigkeit der Frequenz der vom
Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale vorgegeben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ultraschallwandler (2) zum Aussenden des akustischen Signals mit einer Frequenz größer als 2 MHz angeregt wird.
15. Verwendung eines Ultraschall-Partikelmesssystenns (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) in einem Rohrleitungssystem nach einem Partikelfilter angeordnet ist.
EP11727163.5A 2010-07-08 2011-06-20 Ultraschall-partikelmesssystem Withdrawn EP2591347A1 (de)

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