EP4022260A1 - Verfahren und anordnung zur ortsspezifischen charakterisierung der phasenzusammensetzung sowie der strömungsverhältnisse innerhalb eines schaumvolumen - Google Patents

Verfahren und anordnung zur ortsspezifischen charakterisierung der phasenzusammensetzung sowie der strömungsverhältnisse innerhalb eines schaumvolumen

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EP4022260A1
EP4022260A1 EP20761821.6A EP20761821A EP4022260A1 EP 4022260 A1 EP4022260 A1 EP 4022260A1 EP 20761821 A EP20761821 A EP 20761821A EP 4022260 A1 EP4022260 A1 EP 4022260A1
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EP
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phase
phase composition
foam
ultrasonic
foam volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20761821.6A
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Sascha HEITKAM
Lars Büttner
Christian KUPSCH
Richard Nauber
Jürgen Czarske
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for the spatially resolved characterization of the phase composition and the spatially resolved flow conditions within a foam volume.
  • foams in foam flotation In industrial production, in wastewater treatment, in paper recycling and in ore processing, the use of foams in foam flotation is known as a process for separating various solid particles. In doing so, chemical substances are often introduced into the solid-particle-liquid mixture present. These introduced substances often bind to the solid particles and give them the property "hydrophobic". By adding a foaming agent and using a bubble generator, which mostly blows air through the solid-liquid mixture, a foam is generated to which the now hydrophobic solid particles bind. The foam thus has a load of solid particles.
  • Optical methods for measuring the foam crown height are predominantly used to characterize a foam, which may also be loaded. Further spread are among others. Ultrasound-based systems or measurements of electrical conductivity to determine the fill level of a column of liquid located under a foam.
  • DE 10 2004 036 645 A1 shows a level sensor device by means of which, for example, the fill level of liquids in containers can be determined using an ultrasonic measuring method.
  • the invention provides for an ultrasonic transducer to be embedded in a dip tube, the transducer emitting signals being arranged as close as possible to the bottom of the container.
  • the transducer then sends a signal to a) a reflector, which is also located in the liquid and attached at a defined distance, and b) to the liquid boundary layer.
  • the liquid-specific speed of sound is determined from the signal propagation time of the echo from the reflector.
  • the height of the liquid column is now determined on the basis of the signal transit time of the signal reflected from the interface between fluid and air, which is also determined.
  • the method is only suitable for liquids and does not allow foams to be characterized. Rather contrary to the existing technical problem, the invention claims that the method delivers error-free measured values despite foam formation on the liquid surface, since the sound signal does not radiate through the foam for structural reasons.
  • US Pat. No. 8,495,913 B2 discloses an acoustic method which enables the determination of the positions, that is to say the phase boundaries, of different phases (for example liquid-phase-gas phase boundary) in containers.
  • ultrasonic transducers are used, which are arranged in pairs on an axis parallel to the container wall (receiver-transmitter pair) both in the upper part and in the lower part of the container, the number of pairs between 2 and 500 being suggested for industrial applications.
  • Each transmitter is assigned a corresponding opposite receiver, which generates an electrical signal from a sound signal from its transmitter. In the following, the electrical signals generated by the receivers are recorded.
  • the acoustic properties of the electrical signals of the individual ultrasonic transducer pairs at different heights of the container can be determined. This makes it possible to determine at which point (on the axis parallel to the container side wall) which phase prevails.
  • the method and the arrangement are not suitable for the determination of phase contents or the vertical speed within a foam.
  • DE 198 10 092 A1 shows an ultrasound-based method for real-time recording of foam parameters during the production process of polyurethane foam (PUR) from the liquid phase to the presence of a stable, solid foam sonicated by means of a transmission method from an ultrasonic transducer.
  • Material parameters such as viscosity, speed of sound, bubble size and bubble structure can be determined via a computer-aided evaluation (the invention does not mention a specific evaluation method here).
  • the method does not include a spatially resolving measurement of the properties of the foam, for example flow fields within the developing foam. These cannot be recorded.
  • DE 10 2006 057 772 A1 discloses a device for producing foam and an associated method for characterizing the foam produced.
  • at least two pairs of electrodes are arranged in an electrode chamber, which is placed on a container containing a dispersion and connected to it, which measure the specific conductivity of the foam in a time-resolved manner while it rises in the electrode chamber during the manufacturing process.
  • This enables a statement to be made about the The aging process of the foam as well as the bubble size distribution or gas content.
  • the disintegration process of the foam volume can also be characterized and drainage (reduction in the proportion of liquid) can be observed.
  • the method does not enable phase compositions to be determined, in particular particle content, and does not record spatially resolved flow velocities in the foam.
  • a method for determining characteristic foam parameters is known from WO 2005/003758 A1.
  • an image of the foam is recorded by means of a recording device (for example CCD camera) and an electronic image (binary image) of this is then generated.
  • An image analysis using various mathematical methods is used to determine the parameters of the foam, especially the structure, composition or the state of aging. Flowing, disintegrating or stable, solid foams can be examined here.
  • the disadvantage of the method is that the optical evaluation does not allow any conclusions to be drawn about structural parameters within the volume and thus any flow zones at various locations within the foam volume are not accessible from outside.
  • DE 10 2017 117 475 A1 discloses a preferably acoustically designed analysis device and an analysis method which is used for the automatic detection of fill level parameters, more precisely the pouring parameters, of a foaming beverage liquid.
  • the amount of drink bound in the foam is determined and the actual drink content of a glass is determined. Beyond that, no further phase distinction can be made.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to propose a method and an arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume.
  • phase composition a method for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume is proposed.
  • the nature of the foam-like medium to be examined is divided into several phases.
  • a “gaseous phase” and a “liquid phase” are differentiated for the foam-like medium and the solid particles occurring in the foam are understood as the “solid phase”.
  • the simultaneous presence of several of the phases described in a given or to be determined mixing ratio is understood as the phase composition.
  • phase interfaces The transitions from one phase to another phase (air-liquid, air-solid, liquid-solid) are understood as phase interfaces.
  • phase composition The portion that is accounted for by the solid phase of the phase composition is understood as particle loading in the context of this document.
  • the flow conditions affect both the behavior of the individual phases and the behavior of the entirety of all phases in the volume when they are subjected to speed.
  • the characterization is carried out using ultrasound and is carried out according to the steps a) sending an ultrasonic wave of at least one frequency using an ultrasonic transmitter into a foam volume, b) passing the ultrasonic wave through the foam volume, c) scattering the ultrasonic wave at the various phase interfaces, d) detecting the scattered Ultrasonic echoes by means of an ultrasonic receiver, e) Reconstruction of the phase composition from the measured damping properties, f) Comparison of the measured damping properties with the damping properties of known phase mixtures, g) Assignment of the transit time of the sound signal and the location of the backscatter, h) Reconstruction of the location-specific phase composition, i) Measurement of the longitudinal Velocity component in the respective time segment by comparing successive echo signals, j) Combination of the information from steps e), f), g), h) and i) to determine the site-specific flow velocity e to determine the phase boundary surfaces, k) Combination of the phase components with the local velocity to determine material flows.
  • ultrasonic waves in the frequency range from 10 kHz to 10 MHz are introduced into the foam volume.
  • a single frequency as well as a sequence or superposition of several frequencies can be used.
  • the sound waves are coupled in such that the vector of the flow velocity of the foam volume prevailing in the target region with the bisector between the two direct connecting lines between the target region and the ultrasound transmitter or the target region and the ultrasound receiver assume a defined angle between 0 ° and 360 °, the angles being 90 ° and 270 ° are excluded, as these do not contain any information regarding a possible Doppler shift.
  • the sound wave is scattered in the target region.
  • the scattering of the incoming wave towards the wave detector is understood as an ultrasonic echo.
  • the ultrasonic echo reaching the detector from the foam is recorded by the ultrasonic detector.
  • the detected signal is divided into time segments with regard to the time of detection.
  • the time segments of the scattered echo obtained in this way are correlated with spatial coordinates along the sound axis within the foam volume at which the echo generation took place.
  • the amplitude spectrum of the scattered echo depends on the prevailing foam composition along the sound path and on the scattered object. For example, locations with a high particle load have different properties with regard to the reflection, absorption and transmittance that take place than the regions with low particle load.
  • the terms reflection, absorption and transmittance are summarized under the term damping properties, and transmittance is the ability of a body to transmit waves.
  • the attenuation properties along the sound path are calculated section-specifically from the measured sound echo using iterative mathematical methods.
  • the specific damping properties for this segment are assigned to each temporal signal segment. From the reflection, transmittance and absorption, or the damping properties, a statement is made about the expected site-specific phase composition using models of the acoustic properties of known phase mixtures. On the basis of further models, the section-specific phase composition is used to determine the local speed of sound. From the entirety of the Sound velocities in each section, an association is made between the time section and the location of the echo generation.
  • the foam movements in each temporal signal segment are measured by comparing the "phase position" of successive echo signals using the Doppler effect.
  • the longitudinal velocity component of the phase interfaces along the sound axis is reconstructed via the above relationship between the time segment and the location of the echo generation.
  • the invention thus advantageously enables a direct quantitative assessment of the proportionate composition of the foam with regard to its solid, liquid or gaseous phase constituents and the foam movement taking place in the collective.
  • Ultrasound possibly abbreviated as US, is the term used to describe sound with frequencies above the human hearing frequency range. It covers frequencies from around 16 kHz up to frequencies of around 1 GHz.
  • the range of ultrasound is understood as the frequency range from 10 kHz to 10 MHz, since in this range there is a compromise between sufficiently good high spatial resolution and the necessary penetration depth. The higher the sound frequency, the higher the attenuation and the lower the penetration depth.
  • Ultrasonic transducers are often used to generate the ultrasound.
  • An ultrasonic transducer can be operated as an ultrasonic transmitter and / or as an ultrasonic receiver
  • An ultrasonic transducer array is the linear or flat arrangement of ultrasonic transducers.
  • the spatial information is assigned to each time window of the received wave.
  • the foams used to collect the measurement data have an average diameter of the foam bubbles of 5 mm with an uncertainty of up to +/- 1 mm.
  • the present foam thus has a liquid phase between 0.1% and 5%.
  • the transmission of series of consecutive ultrasonic pulses with the same frequency takes place by means of one or more ultrasonic transducers or series of consecutive ultrasonic pulses with different ultrasonic frequencies.
  • the measurement and / or recording of the ultrasonic signal scattered and / or transmitted on the phase mixture is carried out by one or more ultrasonic transducers and a data processing system or evaluation electronics connected to them.
  • the measured ultrasound signal or echo signal is divided into time-based sections and the measurement and / or determination of the intensity for different sound frequencies is carried out for these time-based sections.
  • the amplitude of the scattered and / or transmitted ultrasonic signal measured in a phase mixture is identified with the intensity.
  • model-based, possibly simulated, values of expected intensities of a scattered and / or transmitted ultrasonic signal in known phase mixtures are available and form an object for comparison with the measurement data.
  • a model-based comparison of the intensities of the signals with the reflection, absorption and transmittance of phase mixtures with different is thus advantageous Compositions allowing for the superposition of reflection, absorption and transmission along the possible sound propagation paths.
  • This comparison is used to reconstruct the composition of the phase mixture in the respective time-based sections.
  • the transit time of the sound signal and the location of the backscattering along the sound propagation path are assigned. This results in a clear assignment of the respective time-based section in the echo signal and the real spatial sections along the sound propagation path.
  • the method is applied to moving, flowing phase mixtures and an updated composition of the phase mixture in the spatial sections along the sound propagation path is made possible by repetitive execution of the method.
  • the phase position is then compared in identical time-based sections of successive echo signals.
  • the local speed of the phase mixture in the direction of the bisector between the incident and reflected sound waves can be calculated.
  • the material flow in the respective spatial section can be determined.
  • neural network offers the possibility of the advantageous use of self-learning algorithms. These are advantageously used in stationary systems, for example on an industrial scale.
  • the possibility of using more powerful data processing systems ensures efficient processing of large amounts of data.
  • the use of a neural network advantageously enables the mapping of complex and ambiguous relationships between sound propagation properties and foam composition.
  • the arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound has at least one ultrasound transducer.
  • the ultrasonic transducer is oriented in the relative vicinity of a foam volume in such a way that the ultrasound emitted by it follows a direct line from the transmitter to the target region, is scattered in the target region and, after scattering, propagates from the target region to the recipient.
  • the propagation of the ultrasound will follow the following course in a direct line: entry into the foam volume, crossing the foam volume to the target region, scattering in the target region, among other things, in the direction of an ultrasound receiver, crossing the foam volume through the scattered wave, leaving the foam volume and subsequent detection through the ultrasonic transmitter.
  • the connecting lines from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver preferably enclose an angle of 0 ° to +/- 180 °.
  • the case of +/- 180 ° is explicitly excluded here, since in this case no spatially resolved information about the foam speed can be obtained from the backscattered ultrasound.
  • angles of the connecting lines from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver of -5 ° to 5 ° are assumed, since a lower uncertainty of the measurement can advantageously be achieved in this area.
  • Ultrasonic transducers are particularly preferably used, which work simultaneously as transmitter and receiver and thus the connection vectors starting from the transmitter to the target region and from the target region to the receiver are understood as antiparallel and thus include an angle of 0 °.
  • the arrangement for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound additionally has at least one data processing system in one embodiment.
  • the data processing system is preferably suitable for generating the ultrasonic signal, for supplying energy to the ultrasonic transducer (s) and for recording the signals of the ultrasonic receiver.
  • the data processing system is designed in particular to measure the received signals with regard to their physical parameters “frequency”, “phase” and “amplitude spectrum”.
  • the arrangement has an adjustment mechanism to which at least one ultrasound transmitter and / or at least one ultrasound receiver can be attached.
  • the adjustment mechanism is suitable for varying the position of the ultrasonic elements in such a way that different, possibly neighboring locations can be irradiated with ultrasound.
  • the combination of the position data of the adjustment mechanism and the measured physical parameters “frequency”, “phase” and “amplitude” of the backscattered wave can thus be used advantageously to expand the measuring range.
  • any evaluation method is used after the detection of the ultrasonic wave properties of the respective scattered ultrasonic components.
  • a computer program product for determining the phase composition of the flow conditions of a foam volume is executed on an advantageously used data processing system. For example, the measured wave properties “frequency”, “phase position” and “amplitude spectrum” over the duration of the echo signal are entered into the computer program product to cope with the calculation tasks.
  • the basis of the computer program are models that describe the relationship between phase components and acoustic properties.
  • the models used are preferably derived from model tests, since simulations often do not have the required level of confidence to adequately determine the site-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within the foam volume.
  • Using the method for the location-specific characterization of the phase composition and the flow conditions within a foam volume by means of ultrasound advantageously enables the creation of image information, static or moving images.
  • the kinematics of the foam flow can thus advantageously be determined and quantified.
  • Characterization in real time is preferred, particularly when creating moving images.
  • Real time here means that a given period of time is not exceeded between the recording of the measurement data and the output of the results after their evaluation by a data processing system. This also enables the required data processing system to be dimensioned advantageously in advance.
  • a stationary version of the measuring arrangement is preferred for use in large-scale systems for permanent process control. This enables the advantageous use of more powerful data processing systems for the acquisition and analysis of large amounts of data.
  • a portable system for use in measuring and testing tasks for monitoring purposes is preferred as a further embodiment. This advantageously enables the use of portable data processing systems, such as. B. Smartphones or tablet computers.
  • Fig. 1 shows schematically the arrangement of a transducer array of ultrasonic transducers (101) in front of a foam run-off edge.
  • a particle-laden foam with solid particles (401) flows over this edge, pointing in the direction of the transducer array.
  • the irradiation of several wave fronts (201) of the ultrasound into the foam volume (301) is shown schematically.
  • the scattered parts and the direction of flow of the flowing foam thus assume an angle in the claimed range between 0 ° and 90 °.
  • Fig. 2 shows schematically the sequence of the method for determining the site-specific composition of a foam volume.
  • the echo wave or the Echo signal (102) and is first divided into different time segments (202).
  • the respective intensities of the echo signal at the given time segment are supplied to an analysis device in the form of a data processing system with a reconstruction algorithm (302).
  • the echo signal is evaluated with regard to the amplitudes at different frequencies. From this, in turn, reflection and transmission at this position are determined.
  • the phase composition can be determined therefrom by means of a model, for example a model calculation.
  • the phase composition can in turn be used to deduce the local speed of sound and thus each time segment can be assigned to a location. This also enables the flow velocity to be evaluated in this time segment.
  • the site-specific phase composition, the local speed of sound and the flow speed (402) can then be reconstructed.
  • a round piezoelectric ultrasonic transducer is attached by means of a holder in the vicinity of a foam flow zone.
  • the foam flow zone is the run-off edge of a foam flotation cell, over which the movement of the foam occurs.
  • the direction of sound propagation of the ultrasonic transducer is arranged in relation to this run-off edge in such a way that the active, sound-generating surface points in the direction of the run-off edge.
  • the ultrasonic transducer used has a diameter of the sound-generating surface, the so-called oscillator, of 19 mm and a nominal center frequency of 175 kHz.
  • the ultrasonic transducer is controlled by suitable electronics.
  • An ultrasonic wave is generated from the electrical signal.
  • the electrical signal coupled into the converter corresponds to a square-wave signal and has a center frequency of 175 kHz.
  • the signal amplitude is set to 160 V (peak to peak).
  • the resulting ultrasonic wave thus has a center frequency of 175 kHz. This corresponds to a wavelength in air of approx. 2 mm.
  • the ultrasonic signal is sustained for 5 periods.
  • the following measurement steps are repeated at a rate of 250 Hz.
  • the recording of the measurement data begins with the transmission of the ultrasonic signal. After it is emitted, it first spreads in the air and then penetrates the foam volume. In the foam volume, the sound is scattered on the foam structure as well as on the particles in the foam and thus experiences changes in its properties “frequency”, “phase position” and / or “amplitude”. Part of the scattered ultrasound is directed towards the ultrasonic transducer and received by it and converted into an electrical analog signal changed.
  • the electrical analog signal is converted into an electrical digital signal by means of an analog-digital converter, AD converter, amplified and stored on a hard disk.
  • the AD converter used for this has a sampling frequency of 625 kHz.
  • the received and stored signals are divided into time-based sections for computer-aided post-processing.
  • a time segment comprises a time span of 3.2 ps.
  • the reflection, attenuation and transmission of the signal are determined for each of these sections and the phase proportions of the solid, liquid and gaseous phase are determined based on models from reflection, attenuation and transmission of the signal for each section.
  • a computer program is used for the model-based determination of the flow velocity of the foam, which calculates these signal sequences recorded one after the other from the measurement data of the time segments by means of a Doppler-based evaluation method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur modellbasierten Bestimmung der ortsspezifischen Eigenschaften eines Schaumvolumens. Die Erfindung ermöglicht, die Phasenzusammensetzung, insbesondere von partikelbeladenen Schäumen auch im inneren eines strömenden Schaumvolumens messtechnisch zu erfassen.

Description

Verfahren und Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur ortsaufgelösten Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der ortsaufgelösten Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens.
In der industriellen Fertigung, bei der Abwasserbehandlung, im Papierrecycling und in der Erzaufbereitung ist der Einsatz von Schäumen in der Schaumflotation als Verfahren zur T rennung von verschiedenen Feststoffpartikeln bekannt. Dabei werden oft chemische Substanzen in das vorliegende Festpartikel-Flüssigkeitsgemisch eingebracht. Diese eingebrachten Substanzen binden häufig an die Festpartikel und verleihen ihnen die Eigenschaft „hydrophob“. Durch hinzugeben eines Schäumungsmittels und dem Einsatz eines Blasenerzeugers, welcher zumeist durch das Feststoff-Flüssigkeitsgemisch Luft bläst, wird ein Schaum erzeugt, an welchen die nun hydrophoben Feststoffpartikel binden. Der Schaum weist somit eine Beladung von Feststoffpartikeln auf.
Zur Charakterisierung eines, ggf. auch beladenen, Schaumes sind vorherrschend insbesondere optische Verfahren zur Messung der Schaumkronenhöhe im Einsatz. Weitere Verbreitung finden u. a. Ultraschall gestützte Systeme oder Messungen der elektrischen Leitfähigkeit zur Bestimmung von Füllstandshöhen einer unter einem Schaum befindlichen Flüssigkeitssäule.
Die DE 10 2004 036 645 A1 zeigt eine Niveausensorvorrichtung, mittels derer über ein Ultraschall-Messverfahren bspw. die Füllstandshöhe von Flüssigkeiten in Behältern ermittelt werden kann. Die Erfindung sieht vor, einen Ultraschallwandler in ein Tauchrohr einzubetten, wobei der signalaussendende Wandler möglichst in Bodennähe des Behälters angeordnet ist. Anschließend sendet der Wandler ein Signal zu a) einem ebenfalls in der Flüssigkeit liegenden, mit definiertem Abstand angebrachten Reflektor und b) zur Flüssigkeitsgrenzschicht. Aus der Signallaufzeit des Echos vom Reflektor wird die flüssigkeitsspezifische Schallgeschwindigkeit bestimmt. Anhand der ebenfalls ermittelten Signallaufzeit des von der Grenzfläche zwischen Fluid und Luft reflektierten Signals wird nun die Höhe der Flüssigkeitssäule bestimmt. Das Verfahren ist jedoch nur für Flüssigkeiten geeignet und erlaubt keine Charakterisierung von Schäumen. Eher gegenteilig zum bestehenden technischen Problem beansprucht die Erfindung, dass das Verfahren trotz Schaumbildung an der Flüssigkeitsoberfläche fehlerfreie Messwerte liefert, da eine Durchstrahlung des Schaumes mit dem Schallsignal konstruktiv bedingt gar nicht erst stattfindet.
Die US 8,495,913 B2 offenbart ein akustisches Verfahren, welches die Bestimmung der Lagen, also der Phasengrenzen, von unterschiedlichen Phasen (bspw. Grenze flüssig-Phase- Gasphase) in Behältern ermöglicht. Hierzu werden Ultraschallwandler eingesetzt, welche auf einer Achse parallel zur Behälterwand paarweise (Empfänger-Sender-Paar) sowohl im Oberteil als auch im unteren Teil des Behälters angeordnet werden, wobei die Anzahl der Paare zwischen 2 und 500 für industrienahe Anwendungen vorgeschlagen wird. Jedem Sender wird also ein entsprechender gegenüberliegender Empfänger zugeordnet, der aus einem Schallsignal seines Senders ein elektrisches Signal erzeugt. Im Folgenden werden die von den Empfängern generierten elektrischen Signale erfasst. Durch Vergleich der akustischen Eigenschaften der elektrischen Signale der einzelnen Ultraschallwandler-Paare in verschiedenen Höhenlagen des Behälters können die akustischen Eigenschaften der unterschiedlichen Medien, innerhalb derer die Ultraschallwandler-Paare im Behälter angebracht sind, bestimmt werden. Somit wird eine Auflösung möglich, an welcher Stelle (auf der Achse parallel zur Behälterseitenwand) welche Phase vorherrscht. Das Verfahren sowie die Anordnung eignen sich jedoch nicht für die Bestimmung von Phasengehalten oder der vertikalen Geschwindigkeit innerhalb eines Schaumes.
Die DE 198 10 092 A1 zeigt ein Ultraschall-basiertes Verfahren zur Echtzeiterfassung von Schaumparametem während des Herstellprozesses von Polyurethanschaum (PUR) von der flüssigen Phase bis hin zum Vorliegen eines stabilen, festen Schaums, Hierbei wird der zu untersuchende Schaum in eine separate Messkammer geleitet und mittels Transmissionsverfahren von einem Ultraschallwandler durchschallt. Über eine computergestützte Auswertung (die Erfindung nennt hier kein konkretes Auswertungsverfahren) können Materialparameter wie Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Blasengröße und Blasenstruktur bestimmt werden. Das Verfahren beinhaltet jedoch keine ortsauflösende Messung von Eigenschaften des Schaumes, bspw. Strömungsfelder innerhalb des sich entwickelnden Schaumes. Diese können nicht erfasst werden.
Aus der DE 10 2006 057 772 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Schaum sowie ein zugehöriges Verfahren zur Charakterisierung des erzeugten Schaums bekannt. Hierbei werden in einer Elektrodenkammer, welche auf einen eine Dispersion enthaltenden Behälter aufgesetzt ist und mit diesem verbunden wird, mindestens zwei Elektrodenpaare angeordnet, die zeitaufgelöst die spezifische Leitfähigkeit des Schaumes erfassen, während dieser im Laufe des Herstellprozesses in der Elektrodenkammer aufsteigt. Dies ermöglicht eine Aussage über den Alterungsprozess des Schaumes sowie Blasengrößenverteilung oder Gasgehalt. Mit einem zusätzlich angeordneten Kamerasystem, also optischer Erfassung, kann zudem der Zerfallsprozess des Schaumvolumens charakterisiert werden sowie eine Drainage (Reduzierung des Flüssigkeitsanteils) beobachtet werden. Das Verfahren ermöglicht jedoch keine Bestimmung von Phasenzusammensetzungen, insbesondere Partikelgehalt und erfasst keine ortaufgelösten Strömungsgeschwindigkeiten im Schaum.
Aus der WO 2005/003758 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Schaumparameter bekannt. Hierzu wird mittels einer Aufnahmevorrichtung (bspw. CCD-Kamera) ein Bild des Schaumes aufgenommen und anschließend ein elektronisches Bild (Binärbild) von diesem erzeugt. Über eine Bildanalyse mittels verschiedener mathematischer Verfahren werden dabei Parameter des Schaumes, vor Allem Struktur, Zusammensetzung oder Alterungszustand ermittelt. Hierbei können fließende, zerfallende oder auch stabile feste Schäume untersucht werden. Nachteilig an dem Verfahren ist, dass die optische Auswertung keine Schlüsse auf Strukturparameter innerhalb des Volumens zulässt und somit etwaige Strömungszonen an verschiedenen Orten innerhalb des Schaumvolumens von außerhalb nicht zugänglich sind.
In der DE 10 2017 117 475 A1 wird eine bevorzugt akustisch ausgestaltete Analysevorrichtung sowie ein Analyseverfahren offenbart, welche der automatischen Erfassung von Füllstandsparametern, genauer der Einschenkparameter, einer schäumenden Getränkeflüssigkeit dient. Dabei wird durch die Analyse des Schaumes bzgl. seiner flüssigen Phase, die im Schaum gebundene Getränkemenge ermittelt und der tatsächliche Getränkeinhalt eines Glases bestimmt. Darüber hinaus kann keine weitere Phasenunterscheidung vorgenommen werden.
Den zitierten Schriften ist ein generelles Fehlen von Orts- und Strömungsinformationen aus dem Inneren des Schaumvolumens gemein. Diesem Umstand geschuldet, sind weder die Informationen über die Phasenzusammensetzung noch Informationen über die tatsächlich vorherrschenden Strömungsverhältnisse in bzw. aus diesen Raumbereichen zugänglich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Dazu wird ein Verfahren zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorgeschlagen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Beschaffenheit des zu untersuchenden schaumartigen Mediums in mehrere Phasen unterteilt. Für das schaumartige Medium werden eine „gasförmige-Phase“, eine „flüssig-Phase“ unterschieden und die im Schaum vorkommenden Feststoffpartikel werden als „feste Phase“ verstanden. Das gleichzeitige vorliegen mehrerer der beschriebenen Phasen in einem gegebenen oder zu bestimmenden Mischungsverhältnis wird als Phasenzusammensetzung verstanden.
Als Phasengrenzflächen werden demnach die Übergänge von einer Phase in eine andere Phase (Luft-Flüssigkeit, Luft- Feststoff, Flüssigkeit-Feststoff) verstanden.
Der Anteil, welcher dabei auf die feste Phase der Phasenzusammensetzung entfällt, wird im Sinne dieser Schrift als Partikelbeladung verstanden.
Die Strömungsverhältnisse betreffen sowohl das Verhalten der einzelnen Phasen als auch das Verhalten der Gesamtheit aller im Volumen befindlichen Phasen bei der Beaufschlagung mit Geschwindigkeit.
Die Charakterisierung wird mittels Ultraschall vorgenommen und erfolgt nach den Schritten a) Aussenden einer Ultraschallwelle mindestens einer Frequenz mittels eines Ultraschallsenders in ein Schaumvolumen, b) Durchlaufen der Ultraschallwelle durch das Schaumvolumen, c) Streuung der Ultraschallwelle an den verschiedenen Phasengrenzflächen, d) Detektion des gestreuten Ultraschallechos mittels eines Ultraschallempfängers, e) Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung aus den gemessenen Dämpfungseigenschaften, f) Vergleich der gemessenen Dämpfungseigenschaften mit Dämpfungseigenschaften bekannter Phasengemische, g) Zuordnung von Laufzeit des Schallsignals und Ort der Rückstreuung, h) Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, i) Messung der longitudinalen Geschwindigkeitskomponente im jeweiligen Zeitabschnitt durch Vergleich aufeinanderfolgender Echosignale, j) Kombination der Informationen aus den Schritten e), f), g), h) und i), um die ortsspezifische Strömungsgeschwindigkeit der Phasengrenzflächen zu ermitteln, k) Kombination der Phasenanteile mit der lokalen Geschwindigkeit um Stoffströme zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche. Zunächst werden Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz in das Schaumvolumen eingebracht. Dabei kann sowohl eine einzige Frequenz als auch eine Sequenz oder Überlagerung mehrerer Frequenzen genutzt werden. Dabei werden die Schallwellen derart eingekoppelt, dass der Vektor der in der Zielregion vorherrschenden Fließgeschwindigkeit des Schaumvolumens mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden direkten Verbindungslinien zwischen Zielregion und Ultraschallsender bzw. Zielregion und Ultraschallempfänger einen definierten Winkel zwischen 0° und 360° einnehmen, wobei die Winkel 90° und 270° ausgeschlossen sind, da diese keine Informationen bzgl. einer eventuellen Dopplerverschiebung enthalten.
In der Zielregion wird die Schallwelle gestreut. Die Streuung der einlaufenden Welle hin zum Wellendetektor wird als Ultraschallecho verstanden.
Das aus dem Schaum den Detektor erreichende Ultraschallecho wird mittels des Ultraschalldetektors erfasst. Das erfasste Signal wird bezüglich des Zeitpunktes des Detektierens in Zeitabschnitte aufgeteilt.
Die so erhaltenen Zeitabschnitte des Streuechos werden mit Ortskoordinaten entlang der Schallachse innerhalb des Schaumvolumens korreliert, an dem die Echoerzeugung stattfand.
Das Amplitudenspektrum des Streuechos ist abhängig von der vorherrschenden Schaumzusammensetzung entlang des Schallwegs sowie am Streuobjekt. So weisen beispielsweise Orte mit hoher Partikelbeladung andere Eigenschaften bzgl. der stattfindenden Reflexion, Absorption und Transmittanz auf als die Regionen niedriger Partikelbeladung. Dabei werden die Begriffe der Reflexion, Absorption und Transmittanz unter dem Begriff der Dämpfungseigenschaften zusammengefasst und unter Transmittanz die Fähigkeit eines Körpers zur Durchleitung von Wellen verstanden. Somit werden aus dem gemessenen Schallecho die Dämpfungseigenschaften entlang des Schallwegs mittels iterativer mathematischer Verfahren abschnittsspezifisch berechnet.
Dabei wird jedem zeitlichen Signalabschnitt die für diesen Abschnitt spezifische Dämpfungseigenschaften zugeordnet. Aus der Reflexion, Transmittanz und Absorption, bzw. den Dämpfungseigenschaften, wird anhand von Modellen der akustischen Eigenschaften bekannter Phasengemische eine Aussage über die erwartete ortsspezifische Phasenzusammensetzung getroffen. Auf der Basis von weiteren Modellen wird aus der abschnittspezifischen Phasenzusammensetzung die lokale Schallgeschwindigkeit ermittelt. Aus der Gesamtheit der Schallgeschwindigkeiten in jedem Abschnitt wird eine Zuordnung zwischen Zeitabschnitt und Ort der Echoerzeugung durchgeführt.
Die Schaumbewegungen in jedem zeitlichen Signalabschnitt werden aus dem Vergleich der „Phasenlage“ aufeinanderfolgender Echosignale unter der Ausnutzung des Doppler-Effekts gemessen. Über obigen Zusammenhang zwischen zeitlichem Abschnitt und Ort der Echoerzeugung wird die longitudinale Geschwindigkeitskomponente der Phasengrenzflächen entlang der Schallachse rekonstruiert.
Die Erfindung ermöglicht somit vorteilhaft eine unmittelbare quantitative Bewertung der anteiligen Zusammensetzung des Schaumes bezüglich seiner festen, flüssigen oder gasförmigen Phasenbestandteile sowie der im Kollektiv stattfindenden Schaumbewegung.
Für den Begriff der Streuung gilt: Trifft eine Ultraschallwelle, im Folgenden auch als „Welle“ bezeichnet, auf eine Unstetigkeit in der akustischen Impedanz, insbesondere eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Phasen, so kommt es zur Beugung der Welle, Brechung der Welle und Reflexion der Welle in unterschiedlichem Ausmaße. Die genannten Prozesse haben gemeinsam, dass sie je nach Medium zur Änderung der Wellenausbreitungseigenschaften in der Lage sind. Als Wellenausbreitungseigenschaften werden die Schallgeschwindigkeit und die im Medium erfahrende Dämpfung verstanden. Prozesse, welche ebendiese Eigenschaften beeinflussen werden in dieser Schrift als Streuung verstanden.
Als Ultraschall, ggf. als US abgekürzt, bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz bis zu Frequenzen von etwa 1 GHz. In dieser Schrift wird der Bereich des Ultraschalls als der Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz verstanden, da in diesem Bereich der Kompromiss aus hinreichend guter hoher Ortsauflösung und notwendiger Eindringtiefe gegeben ist. Dabei gilt, je größer die Schallfrequenz, desto höher die Dämpfung und desto geringer die Eindringtiefe.
Zur Erzeugung des Ultraschalls werden häufig Ultraschallwandler eingesetzt. Ein Ultraschallwandler kann als Ultraschallsender und/oder als Ultraschallempfänger betrieben werden
Ein Ultraschallwandlerarray ist die linienhafte oder flächige Anordnung von Ultraschallwandlern.
Durch die Einteilung des Signals in Zeitabschnitte ist es möglich, die räumlichen Informationen zuzuordnen. Dabei wird jedem Zeitfenster der empfangenen Welle eine Ortsinformation zugeordnet. Zusätzlich ist es nun möglich, die Echosignale mehrerer Schallwellen mit verschiedenen Frequenzen zu kombinieren. Dadurch kann die Dämpfungseigenschaft eines Schaumvolumens für verschiedene Schallfrequenzen verglichen und somit eine verlässlichere Aussage über die Phasenzusammensetzung des Schaumvolumens getroffen werden als es mit nur einer Frequenz möglich wäre. Mit den beanspruchten Bereichsgrenzen von 0,01 MHz bis 10 MHz wird im Mittel eine minimale Ortsauflösung von 3 cm und eine maximale Eindringtiefe von 30 cm realisiert. Die verwendeten Schäume zur Erhebung der Messdaten weisen dabei einen gemittelten Durchmesser der Schaumblasen von 5 mm bei einer Unsicherheit von bis zu +/- 1 mm auf. Damit weist der vorliegende Schaum eine flüssig-Phase zwischen 0,1 % und 5 % auf.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind mathematische Gleichungen zur Anwendung zur Lösung des Problems bekannt, wie aus den gegebenen Messdaten, die Geschwindigkeit des Schaums abzuleiten ist. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der aufgewandte Rechenaufwand der Datenverarbeitungsanlage gut vorbestimmt werden kann. Dies ermöglicht einerseits vorteilhaft die Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit eines solchen Systems und bietet andererseits die Möglichkeit zur Verwendung auf tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, z. B. Smartphones und Tablets, um ggf. in transportablen Prüf- und Messmitteln Einsatz zu finden.
In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das Senden von Serien aufeinanderfolgender Ultraschallpulse mit gleicher Frequenz mittels eines, oder mehrerer, Ultraschallwandler oder Serien aufeinanderfolgender Ultraschallpulse mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen. Die Messung und/oder Aufzeichnung des am Phasengemisch gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals erfolgt durch einen oder mehrere Ultraschallwandler und daran angeschlossene Datenverarbeitungsanlage oder Auswerteelektronik.
Das gemessene Ultraschallsignal bzw. Echosignal wird in zeitbasierte Abschnitte eingeteilt und für diese zeitbasierten Abschnitte die Messung und/oder Bestimmung der Intensität für verschiedene Schallfrequenzen vorgenommen. Dabei wird unter anderem die Amplitude des in einem Phasengemisch gemessenen gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals mit der Intensität identifiziert.
Neben den gemessenen Intensitäten des gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals sind modellbasierte, ggf. simulierte, Werte erwarteter Intensitäten eines gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals in bekannten Phasengemischen verfügbar und bilden einen Vergleichsgegenstand mit den Messdaten.
Somit wird vorteilhaft ein modellbasierter Vergleich der Intensitäten der Signale mit dem Reflexions- Absorptions- und Transmissionsvermögen von Phasengemischen mit verschiedenen Zusammensetzungen unter Beachtung der Überlagerung von Reflexion, Absorption und Transmission entlang der möglichen Schallausbreitungspfade ermöglicht.
Aus diesem Vergleich erfolgt eine Rekonstruktion der Zusammensetzung des Phasengemisches in den jeweiligen zeitbasierten Abschnitten.
Mit der so bestimmten rekonstruierten Phasenzusammensetzung eines jeweiligen zeitbasierten Abschnittes, wird auf der Grundlage von modellhaften Phasengemischen mit bekannter Zusammensetzung eine Aussage über die jeweilige Schallgeschwindigkeit ermöglicht.
Mit der so ermittelten Schallgeschwindigkeit für die jeweiligen zeitbasierten Abschnitte erfolgt eine Zuordnung der Laufzeit des Schallsignals und dem Ort der Rückstreuung entlang des Schallausbreitungspfades. Somit erfolgt eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen zeitbasierten Abschnitts im Echosignal und den real räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades.
Aus Vereinigung der Informationen der Zuordnung von zeitbasiertem Abschnitt und realem Ort sowie der rekonstruierten Phasenzusammensetzung für einen zeitbasierten Abschnitt erfolgt nun die Rekonstruktion der wahrscheinlichsten Zusammensetzung des Phasengemisches in den jeweiligen räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades.
In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt durch wiederholtes Durchlaufen der Identifikation von zeitbasiertem Abschnitt und Phasenzusammensetzung sowie lokaler Schallgeschwindigkeit und Phasenzusammensetzung eine verbesserte Beachtung der Überlagerung von Reflexion, Absorption und Transmission entlang der möglichen Schallausbreitungspfade.
In Ausführungsformen der Erfindung wird das Verfahren auf bewegte, fließende Phasengemische angewendet und durch wiederholende Ausführung des Verfahrens eine aktualisierte Zusammensetzung des Phasengemisches in den räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades ermöglicht. Anschließend erfolgt der Vergleich der Phasenlage in identischen zeitbasierten Abschnitten aufeinanderfolgender Echosignale. Mit der zuvor vorgenommenen Zuordnung der zeitbasierten Abschnitte zu räumlichen Abschnitten und den bekannten Schallgeschwindigkeiten in den jeweiligen räumlichen Abschnitten lässt sich die lokale Geschwindigkeit des Phasengemisches in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen einfallender und reflektierter Schallwelle berechnen. Durch Multiplikation der Geschwindigkeit des Phasengemisches in den jeweiligen räumlichen Abschnitten mit dem zugehörigen Phasenanteil kann der Stoffstrom in dem jeweiligen räumlichen Abschnitt bestimmt werden.
Die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes bietet die Möglichkeit zum vorteilhaften Einsatz selbstlernender Algorithmen. Diese finden vorteilhafte Verwendung in stationären Systemen, beispielsweise im industriellen Maßstab. Durch die Möglichkeit des Einsatzes leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen ist somit die effiziente Verarbeitung großer Datenmengen gewährleistet.
Vorteilhaft wird durch die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes die Abbildung komplexer und nicht eindeutiger Zusammenhänge von Schallausbreitungseigenschaften und Schaumzusammensetzung ermöglicht.
Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist mindestens einen Ultraschallwandler auf.
In jedem Falle ist der Ultraschallwandler in relativer Nähe eines Schaumvolumens derart ausgerichtet, dass der davon ausgesandte Ultraschall einer direkten Linie vom Sender zur Zielregion folgt, in der Zielregion gestreut wird und nach der Streuung von der Zielregion zum Empfänger propagiert. Die Propagation des Ultraschalls wird in direkter Line dem folgenden Verlauf folgen: Eintritt in das Schaumvolumen, Durchschreiten des Schaumvolumens bis zur Zielregion, Streuung in der Zielregion unter anderem in Richtung eines Ultraschallempfängers, Durchschreiten des Schaumvolumens durch die gestreute Welle, Verlassen des Schaumvolumens und anschließende Detektion durch den Ultraschallsender.
Die Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger schließen bevorzugt einen Winkel von 0 ° bis +/-180 ° ein. Hierbei ist der Fall +/-180 ° explizit ausgeschlossen, da sich in diesem Falle keine ortsaufgelöste Informationen über die Schaumgeschwindigkeit aus dem rückgestreuten Ultraschall gewinnen lassen.
Besonders bevorzugt werden Winkel der Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger von -5 ° bis 5 ° eingenommen, da in diesem Bereich vorteilhaft eine geringere Unsicherheit der Messung zu erzielen ist. Insbesondere bevorzugt werden Ultraschallwandler verwendet, welche gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten und somit die Verbindungsvektoren ausgehend vom Sender hin zur Zielregion und von der Zielregion in zum Empfänger modellhaft als antiparallel verstanden werden und somit einen Winkel von 0 ° einschließen.
Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist in einer Ausführungsform zusätzlich mindestens eine Datenverarbeitungsanlage auf. Die Datenverarbeitungsanlage ist dabei bevorzugt zur Signalerzeugung des Ultraschallsignals, zur Energieversorgung des/der Ultraschallwandler/s und zur Aufzeichnung der Signale des Ultraschallempfänges geeignet. Die Datenverarbeitungsanlage ist insbesondere dazu ausgebildet, die empfangenen Signale bezüglich ihrer physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitudenspektrum“ auszumessen.
Um in einer weiteren Ausführungsform eine flächige Abdeckung der Datenaufnahme zu ermöglichen und/oder zu erweitern, weist die Anordnung eine Verstellmechanik auf, an welcher mindestens ein Ultraschallsender und/oder mindestens ein Ultraschallempfänger befestigt werden kann. Die Verstellmechanik ist geeignet, die Position der Ultraschallelemente derart zu variieren, dass verschiedene ggf. benachbarte Orte mit Ultraschall durchstrahlt werden können. Die Verknüpfung aus den Positionsdaten der Verstellmechanik und den gemessenen physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitude“ der rückgestreuten Welle kann so vorteilhaft zur Erweiterung des Messbereichs genutzt werden.
Die Verwendung eines etwaigen Auswerteverfahrens erfolgt nach Detektion der Ultraschallwelleneigenschaften der jeweils gestreuten Ultraschallanteile. Dazu wird auf einer vorteilhaft verwendeten Datenverarbeitungsanlage ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung der Phasenzusammensetzung der Strömungsverhältnisse eines Schaumvolumens ausgeführt. In das Computerprogrammprodukt werden zur Bewältigung der Berechnungsaufgaben beispielsweise die gemessenen Welleneigenschaften „Frequenz“, „Phasenlage“ und .Amplitudenspektrum“ über die Dauer des Echosignals eingegeben.
Die Grundlage des Computerprogramms sind Modelle, welche den Zusammenhang zwischen Phasenanteilen und akustischen Eigenschaften beschreiben.
Die verwendeten Modelle sind bevorzugt aus Modellversuchen abgeleitet, da Simulation häufig nicht das benötigte Vertrauensniveau besitzen, um die ortsspezifische Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb des Schaumvolumens hinreichend zu bestimmen. Unter der Verwendung des Verfahrens zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall wird vorteilhaft die Erstellung von Bildinformationen, statischer oder bewegter Bilder, ermöglicht. Insbesondere im Falle bewegter Bilder kann somit vorteilhaft die Kinematik der Schaumströmung bestimmt und quantifiziert werden.
Insbesondere bei der Erstellung bewegter Bilder wird die Charakterisierung in Echtzeit bevorzugt. Echtzeit bedeutet hierbei, dass zwischen der Aufnahme der Messdaten und der Ausgabe der Ergebnisse nach deren Auswertung durch eine Datenverarbeitungsanlage eine gegebene Zeitspanne nicht überschritten wird. Dies ermöglicht zusätzlich eine vorab vorteilhafte Dimensionierung der benötigten Datenverarbeitungsanlage.
Eine stationäre Ausführung der Messanordnung wird für den Einsatz an großtechnischen Anlagen zur permanenten Prozesskontrolle bevorzugt. Dies ermöglicht den vorteilhaften Einsatz leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen zur Erfassung und Analyse von großen Datenmengen.
Als weitere Ausführung wird ein portables System zur Verwendung zu Mess- und Prüfaufgaben zu Überwachungszwecken bevorzugt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, wie z. B. Smartphones oder Tablet-Rechnern.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zweckmäßig miteinander zu kombinieren.
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben und in den zugehörigen Figuren dargestellt.
Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Wandlerarrays aus Ultraschallwandlern (101) vor einer Schaumablaufkante. Ein partikelbeladener Schaum mit Feststoffpartikeln (401) strömt in Richtung des Wandlerarrays zeigend über diese Kante. Schematisch wird das Einstrahlen mehrerer Wellenfronten (201) des Ultraschalls in das Schaumvolumen (301) dargestellt. Die gestreuten Anteile und die Fließrichtung des strömenden Schaums nehmen somit einen Winkel im beanspruchten Bereich zwischen 0° und 90° ein.
Fig. 2 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der ortsspezifischen Zusammensetzung eines Schaumvolumens. Bei dieser Darstellung liegt die Echowelle bzw. das Echosignal (102) bereits vor und wird zunächst in verschiedene Zeitabschnitte (202) eingeteilt. Die jeweiligen Intensitäten des Echosignals zum gegebenen Zeitabschnitt wird in einer Analyseeinrichtung in Form einer Datenverarbeitungsanlage mit Rekonstruktionsalgorithmus (302) zugeführt. In der Analyseeinrichtung wird das Echosignal hinsichtlich der Amplituden bei verschiedenen Frequenzen ausgewertet. Daraus werden wiederum Reflexion und Transmission an dieser Position bestimmt. Mittels eines Modells, beispielsweise einer Modellrechnung, kann daraus die Phasenzusammensetzung ermittelt werden. Aus der Phasenzusammensetzung kann wiederum auf die lokale Schallgeschwindigkeit geschlossen werden und somit jeder Zeitabschnitt einem Ort zugewiesen werden. Weiterhin wird damit die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zeitabschnitt ermöglicht.
Somit kann anschließend die Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, der lokalen Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit (402) erfolgen.
Beispielsweise wird zum Aufbau der Vorrichtung ein runder piezoelektrischer Ultraschallwandler mittels einer Halterung derart in der Nähe einer Schaumflusszone angebracht. Die Schaumflusszone ist in diesem Falle die Ablaufkante einer Schaumflotationszelle, über welcher sich die Bewegung des Schaumes ereignet. Zu dieser Ablaufkante ist die Schallausbreitungsrichtung des Ultraschallwandlers derart angeordnet, dass die aktive, schallerzeugende Fläche in Richtung der Ablaufkante zeigt. Der verwendete Ultraschallwandler weist dabei einen Durchmesser der schallerzeugenden Fläche, des sog. Schwingers, von 19 mm und eine nominale Mittenfrequenz von 175 kHz auf.
Der Ultraschallwandler wird durch eine geeignete Elektronik angesteuert. Dabei wird aus dem elektrischen Signal eine Ultraschallwelle erzeugt. Das in den Wandler eingekoppelte elektrische Signal entspricht einem Rechtecksignal und weist eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Die Signalamplitude wird auf 160 V (peak to peak) eingestellt. Die daraus resultierende Ultraschallwelle weist somit erwartungsgemäß eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Dies entspricht einer Wellenlänge in Luft von ca. 2 mm. Das Ultraschallsignal wird über die Anzahl von 5 Perioden aufrechterhalten.
Die folgenden Schritte zur Messung werden mit einer Rate von 250 Hz wiederholt. Die Aufnahme der Messdaten beginnt mit der Aussendung des Ultraschallsignals. Nach dessen Aussendung breitet es sich zunächst in Luft aus und dringt dann in das Schaumvolumen ein. Im Schaumvolumen wird der Schall an der Schaumstruktur sowie an den Partikeln im Schaum gestreut und erfährt so ggf. Änderungen seiner Eigenschaften „Frequenz“, „Phasenlage“, und/oder „Amplitude“. Ein Teil des gestreuten Ultraschalls wird in Richtung des Ultraschallwandlers gelenkt und durch diesen empfangen und in ein elektrisches Analogsignal gewandelt. Das elektrische Analogsignal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers, AD- Wandlers, in ein elektrisches digitales Signal gewandelt, verstärkt und auf einer Festplatte gespeichert. Der dazu verwendete AD-Wandler weist dabei eine Abtastfrequenz von 625 kHz auf.
Zur computergestützten Nachverarbeitung werden die empfangenen und gespeicherten Signale in zeitbasierte Abschnitte unterteilt. Ein Zeitabschnitt umfasst in diesem Beispiel eine Zeitspanne von 3,2 ps. Für jeden dieser Abschnitte wird die Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals bestimmt und modellbasiert werden aus Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals für jeden Abschnitt die Phasenanteile der festen, flüssigen und gasförmigen Phase bestimmt.
Zur modellbasierten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Schaumes wird ein Computerprogramm verwendet, welches diese aus den Messdaten der zeitlichen Abschnitte nacheinander aufgenommener Signalfolgen mittels dopplerbasiertem Auswerteverfahren berechnet.
Als nacheinander aufgenommene Signalfolgen werden hier 100 aufeinander folgende Signalaussendungen verstanden. Damit wird die Geschwindigkeitskomponente des Schaumes in Schallausbreitungsrichtung linienhaft erfasst und kann für die gegebene Parameterkombination bis zu einem Maximalwert der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 123 mm/s bestimmt werden.
Die Kombination aus den Phasenanteilen sowie der Strömungsgeschwindigkeit liefert somit den Volumenstrom der einzelnen Phasen.
Bezugszeichen
101 Ultraschallwandler
102 Echosignal
201 Ultraschallwellenfront
202 Zeitabschnitte des Echosignals
301 Schaumvolumen
302 Datenverarbeitungsanlage mit Rekonstruktionsalgorithmus
401 Feststoffpartikel
402 Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung F, der
Schallgeschwindigkeit c und der Zuordnung des Ortes x zum Zeitpunkt t

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der
Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall, aufweisend die
Schritte a) Aussenden einer Ultraschallwelle mindestens einer Frequenz mittels eines Ultraschallsenders in ein Schaumvolumen, b) Durchlaufen der Ultraschallwelle durch das Schaumvolumen, c) Streuung der Ultraschallwelle an den verschiedenen Phasengrenzflächen, d) Detektion des gestreuten Ultraschallechos mittels eines Ultraschallempfängers, e) Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung aus den gemessenen Dämpfungseigenschaften, f) Vergleich der gemessenen Dämpfungseigenschaften mit Dämpfungseigenschaften bekannter Phasengemische, g) Zuordnung von Laufzeit des Schallsignals und Ort der Rückstreuung, h) Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, i) Messung der longitudinalen Geschwindigkeitskomponente im jeweiligen, einem Ort der Streuung zugeordnetem Zeitabschnitt durch Vergleich aufeinanderfolgender Echosignale, j) Kombination der Informationen aus den Schritten e), f), g), h) und i), um die ortsspezifische Strömungsgeschwindigkeit der Phasengrenzflächen zu ermitteln, k) Kombination der Phasenanteile mit der lokalen Geschwindigkeit um Stoffströme zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt e) die Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung frequenz- und zeitbasiert erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die im Schritt e) durchgeführte Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung durch ein analytisches Modell erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die im Schritt e) durchgeführte Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung durch ein trainiertes neuronales Netz erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die zur Messung ausgesandte Ultraschallwellenfront geformt ist.
6. Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall, aufweisend mindestens einen Ultraschallwandler und mindestens eine Datenverarbeitungsanlage, wobei die Datenverarbeitungsanlage ein Computerprogrammprodukt zur Modellierung der Phasenzusammensetzung der Strömungsverhältnisse eines Schaumvolumens ausführt und diese mit Messdaten des Ultraschallwandlers gespeist wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei diese mindestens eine lineare und/oder angulare Verstellmechanik mindestens eines US-Wandlers und/oder Arrays aus US-Wandlern aufweist.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall
9. Verwendung einer Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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