WO2009129886A1 - Concentration determination method and meter - Google Patents

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WO2009129886A1 PCT/EP2009/001252 EP2009001252W WO2009129886A1 WO 2009129886 A1 WO2009129886 A1 WO 2009129886A1 EP 2009001252 W EP2009001252 W EP 2009001252W WO 2009129886 A1 WO2009129886 A1 WO 2009129886A1
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Thomas Will
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Mib Gmbh Messtechnik Und Industrieberatung
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02—Analysing fluids
    • G01N29/024—Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028—Material parameters
    • G01N2291/02809—Concentration of a compound, e.g. measured by a surface mass change

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the concentration in a flowable medium with known mixing partners. Moreover, the invention relates to a measuring device for concentration determination in such a medium.
  • i Carrying out at least one sound propagation time measurement by means of an ultrasound measuring arrangement in which at least one ultrasound transceiver is arranged as a sensor for sound transmission of the measurement path and signal detection in the two end regions of a measurement path and determination of the temperature of the medium at at least one location Measuring section through a device for temperature determination; ii. Evaluation of the transient signal by a signal processing device in two different types: a. Determining a latest possible zero crossing by iterative calculation of regression lines formed from the height of adjacent amplitudes of the received signal; b. Calculation of a mean distance between actually measured zero crossings of the received signal and determination of metrologically non-detectable zero crossings; iii.
  • a measuring device which can be used in particular in the above method, which is provided as an ultrasonic measuring arrangement, in which at least one ultrasonic transceiver is arranged as a sensor for the transmission of the measuring path and for signal detection in the two end regions of a measuring path, and a signal processing device is arranged or connected to the ultrasound measuring device, which from the determination of amplitude heights and zero crossings of a received signal of the sensors allows a determination of the concentration of mixing partners of the medium.
  • the method and measuring device for achieving the above-mentioned object are based on the assumption that, in the case of a medium with known mixing partners and a given temperature, the speed of sound of the medium can be deduced from the concentration of the same. In this way, therefore, an ultrasonic measuring arrangement which determines a value for the speed of sound in the medium can be used to determine the concentration in the mixture.
  • flowmeters are known that work with ultrasound and determine a volume flow from runtime differences.
  • EP 0 452 531 a simple method for determining the transit time is known, which, however, requires a receiving signal which swells over a longer period of time at a constant pitch.
  • EP 0 233 047 discloses a general arrangement for measuring the speed of sound without, however, discussing metrological details there. From DE 10 2005 051 669 it is known that it is possible to greatly override the received signal, thereby triggering it to a certain extent To facilitate wave. This is sufficient to determine an approximate sound velocity of the medium in a flow meter operating according to the phase measurement method.
  • the method according to the invention proceeds as follows:
  • the medium is guided through a measuring section at which ultrasound transceiver devices are arranged in their end regions and the measuring path is sounded through, whereby at least one of the ultrasounds Transceiver devices a received signal is recorded, which can be used for the evaluation.
  • the sound propagation time measurement is carried out by measuring the individual amplitude peaks of the transient process. In this case, the time and the height of the amplitude peaks of the swelling received signal are recorded.
  • a zero crossing threshold is enabled, which can be used to record the time of the subsequent zero crossing of the received signal.
  • this operation is performed only from a certain minimum signal strength to avoid interference by the noise. It should be noted that, for example, the first amplitudes of the signal may still be so weak that they are very close to the noise and thus are not recognized.
  • the measurement of the amplitude peaks takes place in that one used a threshold switch with variable threshold.
  • This threshold is started at the amplitude maximum value and shuts down.
  • the highest amplitude peak is reached when, within a temporal expectation window for the received signal, a trigger intended for this purpose responds for the first time.
  • the further amplitude peaks of lesser height are detected by the fact that the trigger signal comes within a second, much smaller, temporal window before the previously measured amplitude peak.
  • the length and position of this temporal window depends on the ultrasound frequency.
  • the start trigger threshold can also be determined from the highest pulse amplitudes of the previous measurement.
  • a mean distance is calculated from the zero crossings of the received signal. Other zero crossings that are before the first detected zero crossing can be determined with this mean value of the distances. Although these times of the computed, so to speak "virtual" zero crossings are stable, a decision aid is needed here, which represents the beginning of the received signal, which provides the zero crossing determined from the straight lines of the amplitude peaks Sound transit time thus results from the Meeting point of the zero-crossing calculations, from which the speed of sound in the medium can be calculated.
  • the concentration of the participating mixing partners can be deduced by means of the sound velocity of the medium.
  • the determined value of the speed of sound is compared with the value triples of temperature, sound velocity and concentration stored for the mixture.
  • the measurement path is sounded through in both directions.
  • the method point ii- the evaluation of the zero crossings, optionally for both flow directions, both for the positive and for the negative half-wave of the received signal is performed. It must of course be noted that the zero crossings of the negative half-wave are shifted by half a wave. The measurement of the negative half-wave can also be done by inverting the transmission signal.
  • variable trigger threshold In order to make the measurement of the pulse heights reproducible, the variable trigger threshold must be stable. This is achieved by arranging a strong filter at the generator output of the threshold switch. With the procedure points outlined so can by a clever switching of the transmission direction and the phase angle of Transmit signal run all four measurements in parallel.
  • the mean value is then formed from the four measured values, whereby "outliers" can also be detected and ignored in the determination of the speed of sound.
  • the determined sound velocity value can be used for the compensation of the flow measurement according to the phase measurement principle.
  • one or more Schallaufzeittownen by means of an ultrasonic Messanord-tion is performed on a measuring section, in which in each of the two end portions of a measuring section at least one ultrasonic Sen- de receiver is arranged as a sensor for sound transmission through the signal path and detection and the temperature of the medium at at least one location of the measuring section determined by a device for temperature determination.
  • the following evaluation takes place with the received signals detected by the sensors: the highest amplitude peak AS1 is searched, its time and altitude are recorded and a zero-crossing switch is released.
  • the time of the amplitude peak AS1 subsequent zero crossing t ND i of the received signal is determined. Further amplitude peaks AS2, AS3,... And zero transitions t ND2 , t ND3 ,... Of the transient response are searched for and again, as before, times, heights and zero crossings determined. For each two adjacent amplitude peaks, for example in FIG. 1 for the amplitude peaks AS2 and AS3, in each case one straight line, in FIG. 1 the straight line g2, is calculated and its zero crossing, here t g2 , determined. The zero crossing closest to the beginning of the received signal with this method is then stored. From the zero crossings t ND i, t ND2 , t ND3 , ...
  • a mean distance is first calculated and then so-called “virtual" zero crossings of the received signal are calculated before the first measured zero crossing The "virtual" zero crossings are then determined unambiguously and stably the time of the beginning of the received signal.
  • This determination of the beginning of the received signal is carried out for both positive and negative half wave received signals for both directions of sound transmission, after which the sound velocity can be determined after an examination of the individual values for excessive deviations from the individual values.
  • the determination of the here four values of the beginning of the received signal can take place in parallel and provides a sound velocity value which permits a concentration determination of the medium.
  • the above invention thus relates to a method and a measuring device for determining the concentration in a flowable medium with known mixing partners, in which on the speed of sound of the transported medium, the concentration of the mixing partners is determined.

Abstract

The invention relates to a method and a meter for determining the concentration in a flowing medium comprising known mixture partners, wherein the concentration of the mixture partners is determined by way of the speed of sound of the transported medium.

Description

Konzentrationsbestimmungsverfahren und Messgerät Concentration determination method and measuring device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration in einem fließfähigen Medium mit bekannten Mischungspartnern. Außerdem betrifft die Erfindung ein Messgerät zur Konzentrationsermittlung in einem solchen Medium.The invention relates to a method for determining the concentration in a flowable medium with known mixing partners. Moreover, the invention relates to a measuring device for concentration determination in such a medium.
In beispielsweise der Chemieindustrie oder der Lebensmittelindustrie angesiedelten Prozessen ist die kontinuierliche Aufnahme von prozessrelevanten Daten von großem Interesse. Einer der dabei häufig zu ermittelnden Parameter ist die Konzentration. Bekannte Messmethoden zur Konzentrationsbestimmung erscheinen jedoch gerade in den oben erwähnten Gebieten häufig nur bedingt geeignet . So ist das Ziehen von Proben und deren anschließende Analyse im Labor viel zu zeitaufwändig und auch nicht kontinuierlich realisierbar. Bei Verwendung einer Massen- messeinrichtung nach dem Koriolis-Prinzip kann zwar aus der Dichte auf die Konzentration geschlossen werden, da diese Geräte aber metallische Leitungen benötigen sind diese für die Konzentrationsbestimmung aggressiver Medien oder in Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen (z. B. keine Metal - Ionen im Medium) nicht geeignet .In processes that are located, for example, in the chemical industry or the food industry, the continuous uptake of process-relevant data is of great interest. One of the parameters frequently to be determined is concentration. However, known measurement methods for concentration determination appear to be only partially suitable, especially in the above-mentioned fields. For example, drawing samples and their subsequent analysis in the laboratory is far too time-consuming and can not be carried out continuously. When using a mass-measuring device according to the Koriolis principle, it is true that the concentration can be deduced from the density, but since these devices require metallic lines, these are for determining the concentration of aggressive media or in applications with high purity requirements (eg, no metal contamination). Ions in the medium) are not suitable.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und ein Messgerät zur Verfügung zu stellen, mit denen mit geringem Aufwand konti- nuierlich und ständig verfügbar die Konzentration eines fließfähigen Mediums mit bekannten Mischungspartnern ermittelt werden kann . Die Aufgabe wird gelöst durch ein zumindest die folgenden Verfahrensschritte gekennzeichnetes Verfahren:It is therefore the object to provide a method and a measuring device with which the concentration of a flowable medium with known mixing partners can be determined continuously and continuously with little effort. The object is achieved by a method characterized at least by the following method steps:
i. Durchführung wenigstens einer Schalllaufzeitmessung mittels einer Ultraschall-Messanordnung, bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signaler- fassung angeordnet ist sowie Bestimmung der Tempera- tur des Mediums an wenigstens einem Ort der Messstrecke durch eine Einrichtung zur Temperaturermittlung; ii. Auswertung des Einschwingsignals durch eine Signalverarbeitungseinrichtung auf zwei unterschied- liehe Arten: a. Bestimmung eines spätestmöglichen Nulldurchgangs durch iterative Berechnung von aus der Höhe benachbarter Amplituden des Empfangssignals gebildeter Regressionsgeraden; b. Berechnung eines mittleren Abstandes tatsächlich gemessener Nulldurchgänge des Empfangssignals und Ermittlung messtechnisch nicht erfassbarer Nulldurchgänge ; iii. Bestimmung der Schalllaufzeit aus dem Treffpunkt Nulldurchgänge der Verfahrenspunkte ii.a. und ii.b. und Ermittlung der Schallgeschwindigkeit hieraus; iv. Ermittlung der Konzentration durch Vergleich des bei gegebener oder gemessener Temperatur ermittelten Schallgeschwindigkeitswerts mit für das Gemisch in Werte-Tripeln abgelegten Werten für Temperatur,i. Carrying out at least one sound propagation time measurement by means of an ultrasound measuring arrangement in which at least one ultrasound transceiver is arranged as a sensor for sound transmission of the measurement path and signal detection in the two end regions of a measurement path and determination of the temperature of the medium at at least one location Measuring section through a device for temperature determination; ii. Evaluation of the transient signal by a signal processing device in two different types: a. Determining a latest possible zero crossing by iterative calculation of regression lines formed from the height of adjacent amplitudes of the received signal; b. Calculation of a mean distance between actually measured zero crossings of the received signal and determination of metrologically non-detectable zero crossings; iii. Determination of the sound propagation time from the meeting point Zero crossings of the procedural points ii.a. and ii.b. and determining the speed of sound therefrom; iv. Determination of the concentration by comparison of the sound velocity value determined at a given or measured temperature with values for temperature stored for the mixture in value triples,
Schallgeschwindigkeit und Konzentration. Außerdem wird die Aufgabe auch durch ein insbesondere in dem vorstehenden Verfahren verwendbaren Messgerät gelöst, welches als Ultraschall-Messanordnung vorgesehen ist, bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung angeordnet ist und an der Ultraschall-Messanordnung eine Signalverarbeitungseinrich- tung angeordnet oder mit dieser verbunden ist, welche aus der Bestimmung von Amplitudenhöhen und Nulldurchgängen eines Empfangssignals der Sensoren eine Bestimmung der Konzentration von Mischungspartnern des Mediums gestattet.Speed of sound and concentration. In addition, the object is also achieved by a measuring device which can be used in particular in the above method, which is provided as an ultrasonic measuring arrangement, in which at least one ultrasonic transceiver is arranged as a sensor for the transmission of the measuring path and for signal detection in the two end regions of a measuring path, and a signal processing device is arranged or connected to the ultrasound measuring device, which from the determination of amplitude heights and zero crossings of a received signal of the sensors allows a determination of the concentration of mixing partners of the medium.
Verfahren und Messgerät zur Lösung der vorgenannten Aufgabe gehen dabei davon aus, dass bei einem Medium mit bekannten Mi- schungspartnern und gegebener Temperatur aus der Schallgeschwindigkeit des Mediums auf die Konzentration desselben geschlossen werden kann. Auf diese Weise kann also eine Ultraschall-Messanordnung, die einen Wert für die Schallgeschwindigkeit in dem Medium ermittelt, zur Bestimmung der Konzentration in dem Gemisch eingesetzt werden.The method and measuring device for achieving the above-mentioned object are based on the assumption that, in the case of a medium with known mixing partners and a given temperature, the speed of sound of the medium can be deduced from the concentration of the same. In this way, therefore, an ultrasonic measuring arrangement which determines a value for the speed of sound in the medium can be used to determine the concentration in the mixture.
Aus dem Stand der Technik sind hierbei verschiedene Verfahren und Messgeräte zur SchalllaufZeitbestimmung bekannt. So sind etwa Durchflussmessgeräte bekannt, die mit Ultraschall arbeiten und aus Laufzeitdifferenzen einen Volumenfluss bestimmen.From the state of the art, various methods and measuring devices for sound propagation time determination are known. For example, flowmeters are known that work with ultrasound and determine a volume flow from runtime differences.
Aus der EP 0 452 531 ist ein einfaches Verfahren zur Bestimmung der Laufzeit bekannt, welches jedoch ein über längere Zeit mit konstanter Steigung anschwellendes Empfangssignal benötigt. Demgegenüber offenbart die EP 0 233 047 eine allgemeine Anord- nung für die Schallgeschwindigkeitsmessung, ohne dass dort jedoch auf messtechnische Details eingegangen würde. Aus der DE 10 2005 051 669 ist bekannt, dass man das Empfangssignal stark Übersteuern kann, um dadurch die Triggerung auf eine bestimmte Welle zu erleichtern. Dies ist ausreichend, um bei einem nach dem Phasenmessverfahren arbeitenden Durchflussmessgerät eine ungefähre Schallgeschwindigkeit des Mediums zu bestimmen, bei starken Temperaturschwankungen und Verwendung von auch für ag- gressive Medien geeigneten Materialien wie Kunststoffen kann es zu Störungen der Schalllaufzeitmessung kommen, weswegen in diesem Fall die Genauigkeit für eine Konzentrationsmessung nicht mehr ausreicht. Schließlich sind in der DE 38 25 131 und der DE 40 23 977 Verfahren beschrieben, bei welchen eine Konzentra- tionsmessung durch Signaldämpfung realisiert ist.From EP 0 452 531 a simple method for determining the transit time is known, which, however, requires a receiving signal which swells over a longer period of time at a constant pitch. On the other hand, EP 0 233 047 discloses a general arrangement for measuring the speed of sound without, however, discussing metrological details there. From DE 10 2005 051 669 it is known that it is possible to greatly override the received signal, thereby triggering it to a certain extent To facilitate wave. This is sufficient to determine an approximate sound velocity of the medium in a flow meter operating according to the phase measurement method. In the case of severe temperature fluctuations and the use of materials which are also suitable for aggressive media, such as plastics, noise propagation measurement may be disturbed, which is why in this case accuracy is required is no longer sufficient for a concentration measurement. Finally, DE 38 25 131 and DE 40 23 977 describe methods in which a concentration measurement is implemented by signal attenuation.
Gegenüber den bekannten Verfahren zur Schalllaufzeitbestimmung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren folgendermaßen vorgegangen: Das Medium wird durch eine Messstrecke geführt, an wel- eher in deren Endbereichen Ultraschall-Sendeempfänger-einrich- tungen angeordnet sind und die Messstrecke wird durchschallt, wodurch an wenigstens einer der Ultraschall-Sendeempfängereinrichtungen ein Empfangssignal aufgenommen wird, welches zur Auswertung herangezogen werden kann. Die Schalllaufzeitmessung erfolgt durch Ausmessen der einzelnen Amplitudenspitzen des Einschwingvorgangs . Dabei werden der Zeitpunkt und die Höhe der Amplitudenspitzen des anschwellenden Empfangssignals festgehalten. Wenn eine Amplitudenspitze erkannt wird, wird ein Schwellwertschalter für den Nulldurchgang freigegeben, mit dem der Zeitpunkt des nachfolgenden Nulldurchgangs des Empfangssignals festgehalten werden kann. Dieser Vorgang wird jedoch nur ab einer bestimmten Mindestsignalstärke durchgeführt, um Störungen durch das Rauschen zu vermeiden. Zu beachten ist hierbei, dass etwa die ersten Amplituden des Signals noch so schwach sein können, dass sie sehr nahe am Rauschen liegen und dadurch nicht erkannt werden.Compared to the known methods for determination of the sound propagation time, the method according to the invention proceeds as follows: The medium is guided through a measuring section at which ultrasound transceiver devices are arranged in their end regions and the measuring path is sounded through, whereby at least one of the ultrasounds Transceiver devices a received signal is recorded, which can be used for the evaluation. The sound propagation time measurement is carried out by measuring the individual amplitude peaks of the transient process. In this case, the time and the height of the amplitude peaks of the swelling received signal are recorded. When an amplitude peak is detected, a zero crossing threshold is enabled, which can be used to record the time of the subsequent zero crossing of the received signal. However, this operation is performed only from a certain minimum signal strength to avoid interference by the noise. It should be noted that, for example, the first amplitudes of the signal may still be so weak that they are very close to the noise and thus are not recognized.
Die Ausmessung der Amplitudenspitzen erfolgt dadurch, dass man einen Schwellwertschalter mit variabler Schwelle verwendet. Diese Schwelle lässt man bei dem Amplitudenmaximalwert beginnen und fährt sie herunter. Die höchste Amplitudenspitze ist dann erreicht, wenn innerhalb eines zeitlichen Erwartungsfensters für das Empfangssignal ein hierfür bestimmter Trigger zum ersten Mal anspricht. Die weiteren Amplitudenspitzen geringerer Höhe werden dadurch erkannt, dass das Triggersignal innerhalb eines zweiten, deutlich kleineren, zeitlichen Fensters vor der zuvor gemessenen Amplitudenspitze kommt. Länge und Position dieses zeitlichen Fensters ist abhängig von der Ultraschallfrequenz . Um Zeit zu sparen kann die Starttriggerschwelle auch anhand der höchsten Pulsamplituden der vorherigen Messung bestimmt werden.The measurement of the amplitude peaks takes place in that one used a threshold switch with variable threshold. This threshold is started at the amplitude maximum value and shuts down. The highest amplitude peak is reached when, within a temporal expectation window for the received signal, a trigger intended for this purpose responds for the first time. The further amplitude peaks of lesser height are detected by the fact that the trigger signal comes within a second, much smaller, temporal window before the previously measured amplitude peak. The length and position of this temporal window depends on the ultrasound frequency. To save time, the start trigger threshold can also be determined from the highest pulse amplitudes of the previous measurement.
Nach dem Ausmessen aller Amplitudenspitzen und Nulldurchgänge des einschwingenden Wellenzugs wird aus je zwei benachbarten Amplitudenspitzen eine Gerade berechnet und deren Nulldurchgang bestimmt. Dies geschieht für alle Amplitudenspitzen. Hierdurch wird der späteste Nulldurchgang aus den berechneten Geraden be- stimmt. Dieser Wert kann aber immer noch leichte Schwankungen aufweisen, da durch Rauschen und Auflösung der Rechnung kein stabiler Wert zustande kommt.After measuring all the amplitude peaks and zero crossings of the transient wave train, a straight line is calculated from each two adjacent amplitude peaks and their zero crossing determined. This happens for all amplitude peaks. This determines the latest zero crossing from the calculated straight line. However, this value may still show slight fluctuations, since no stable value is achieved by noise and resolution of the calculation.
Aus den Nulldurchgängen des Empfangssignals wird ein mittlerer Abstand errechnet. Weitere Nulldurchgänge, die vor dem ersten erfassten Nulldurchgang liegen, können mit diesem Mittelwert der Abstände bestimmt werden. Diese Zeitpunkte der berechneten, sozusagen „virtuellen" Nulldurchgänge sind zwar stabil, benötigt wird hier jedoch eine Entscheidungshilfe, welcher NuIl- durchgang tatsächlich den Beginn des Empfangssignals darstellt. Diese Entscheidungshilfe liefert der aus den Geraden der Amplitudenspitzen bestimmte Nulldurchgang. Der tatsächliche Nulldurchgang und damit die Schallaufzeit ergibt sich also aus dem Treffpunkt der Nulldurchgangsberechnungen, woraus sich die Schallgeschwindigkeit in dem Medium berechnen lässt.From the zero crossings of the received signal a mean distance is calculated. Other zero crossings that are before the first detected zero crossing can be determined with this mean value of the distances. Although these times of the computed, so to speak "virtual" zero crossings are stable, a decision aid is needed here, which represents the beginning of the received signal, which provides the zero crossing determined from the straight lines of the amplitude peaks Sound transit time thus results from the Meeting point of the zero-crossing calculations, from which the speed of sound in the medium can be calculated.
Bei gegebener, stabiler oder aber im Rahmen der Messung eben- falls bestimmter Temperatur im Bereich der Messstrecke kann mittels der Schallgeschwindigkeit des Mediums auf die Konzentration der beteiligten Mischungspartner geschlossen werden. Hierzu wir der ermittelte Wert der Schallgeschwindigkeit mit für das Gemisch abgelegte Werte-Tripeln aus Temperatur, Schall- geschwindigkeit und Konzentration verglichen.If the temperature in the region of the measuring section is also stable or else within the scope of the measurement, the concentration of the participating mixing partners can be deduced by means of the sound velocity of the medium. For this purpose, the determined value of the speed of sound is compared with the value triples of temperature, sound velocity and concentration stored for the mixture.
Um durch die Strömung verursachte Messfehler zu eliminieren kann es bei einer Variante des Verfahrens vorgesehen sein, dass bei der Schalllaufzeitmessung die Messstrecke in beide Richtun- gen durchschallt wird.In order to eliminate measurement errors caused by the flow, it can be provided in a variant of the method that during the sound propagation time measurement, the measurement path is sounded through in both directions.
Bei einer weiteren, zweckmäßigen Variante des Verfahrens wird der Verfahrenspunkt ii-, die Auswertung der Nulldurchgänge, gegebenenfalls für beide Flussrichtungen, sowohl für die positive als auch für die negative Halbwelle des Empfangssignals durchgeführt. Dabei muss selbstverständlich beachtet werden, dass die Nulldurchgänge der negativen Halbwelle um eine halbe Welle verschoben sind. Die Messung der negativen Halbwelle kann auch dadurch geschehen, dass man das Sendesignal invertiert.In a further expedient variant of the method, the method point ii-, the evaluation of the zero crossings, optionally for both flow directions, both for the positive and for the negative half-wave of the received signal is performed. It must of course be noted that the zero crossings of the negative half-wave are shifted by half a wave. The measurement of the negative half-wave can also be done by inverting the transmission signal.
Durch die eben dargestellten vier Messungen können die Unregelmäßigkeiten im Empfangssignal für die Bestimmung der Schalllaufzeit herausgerechnet werden. Um die Messung der Pulshöhen reproduzierbar zu machen, muss die variable Triggerschwelle stabil stehen. Das erreicht man dadurch, dass man am Erzeugerausgang des Schwellwertschalters ein starkes Filter anordnet. Mit den skizzierten Verfahrenspunkten können also durch ein geschicktes Umschalten der Senderichtung und der Phasenlage des Sendesignals alle vier Messungen parallel ablaufen.By means of the four measurements just described, the irregularities in the received signal for the determination of the sound propagation time can be calculated out. In order to make the measurement of the pulse heights reproducible, the variable trigger threshold must be stable. This is achieved by arranging a strong filter at the generator output of the threshold switch. With the procedure points outlined so can by a clever switching of the transmission direction and the phase angle of Transmit signal run all four measurements in parallel.
Aus den vier Messwerten wird dann der Mittelwert gebildet, wobei auch „Ausreißer" entdeckt werden können und bei der Bestim- mung der Schallgeschwindigkeit unberücksichtigt bleiben.The mean value is then formed from the four measured values, whereby "outliers" can also be detected and ignored in the determination of the speed of sound.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann der ermittelte Schallgeschwindigkeitswert für die Kompensation der Durchflussmessung nach dem Phasenmessprinzip verwendet werden.In an advantageous development of the method, the determined sound velocity value can be used for the compensation of the flow measurement according to the phase measurement principle.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des insbesondere zur Durchführung des obigen Verfahrens geeigneten Messgeräts, bei welchem bevorzugt zumindest dessen mediumsberührte Teile aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem hochbeständigen Kunst- stoff, insbesondere beispielsweise aus Polyethylen, Polytetra- fluorethylen oder Perfluoralkoxy oder dergleichen Polyolefinen, gebildet sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous developments of the measuring device which is suitable in particular for carrying out the above method and in which preferably at least its wetted parts are formed from a plastic, preferably a highly resistant plastic, in particular polyethylene, polytetrafluoroethylene or perfluoroalkoxy or the like polyolefins, result from the dependent claims.
Das Verfahren mit seiner Bestimmung der Schallaufzeit wird an- hand einer Zeichnungsfigur noch näher erläutert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine oder werden mehrere Schallaufzeitmessungen mittels einer Ultraschall-Messanord-nung an einer Messstrecke durchgeführt, bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sen- deempfänger als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung angeordnet ist sowie die Temperatur des Mediums an wenigstens einem Ort der Messstrecke durch eine Einrichtung zur Temperaturermittlung bestimmt. Mit den durch die Sensoren erfassten Empfangssignalen findet die folgende Auswer- tung statt: Die höchste Amplitudenspitze AS1 wird gesucht, deren Zeitpunkt und Höhe werden festgehalten und ein Nulldurchgangschalter freigegeben. Der Zeitpunkt des der Amplitudenspitze AS1 nachfolgenden Nulldurchgangs tNDi des Empfangssignals wird bestimmt. Weitere Amplitudenspitzen AS2, AS3,... und Nulldurchgänge tND2, tND3,... des Einschwingvorgangs werden gesucht und wieder, wie vorher, Zeitpunkte, Höhen und Nulldurchgänge bestimmt. Für je zwei benachbarte Amplitudenspitzen, bspw. in der Fig.1 für die Amplitudenspitzen AS2 und AS3, wird jeweils eine Gerade, in der Fig.1 die Gerade g2 , berechnet und deren Nulldurchgang, hier tg2, bestimmt. Der mit dieser Methode dem Beginn des Empfangssignals am nächsten liegende Nulldurchgang wird dann gespeichert. Aus den Nulldurchgängen tNDi , tND2, tND3, ... des Empfangssignals wird zuerst ein mittlerer Abstand und anschließend werden sogenannte „virtuelle" Nulldurchgänge des Empfangssignals vor dem ersten gemessenen Nulldurchgang berechnet. Aus dem mittels der Geraden berechneten, gespeicherten Nulldurchgang und den „virtuellen" Nulldurchgängen wird an- schließend eindeutig und stabil der Zeitpunkt des Beginns des Empfangssignals bestimmt.The method with its determination of the sound propagation time will be explained in more detail with reference to a drawing figure. In the method according to the invention one or more Schallaufzeitmessungen by means of an ultrasonic Messanord-tion is performed on a measuring section, in which in each of the two end portions of a measuring section at least one ultrasonic Sen- de receiver is arranged as a sensor for sound transmission through the signal path and detection and the temperature of the medium at at least one location of the measuring section determined by a device for temperature determination. The following evaluation takes place with the received signals detected by the sensors: the highest amplitude peak AS1 is searched, its time and altitude are recorded and a zero-crossing switch is released. The time of the amplitude peak AS1 subsequent zero crossing t ND i of the received signal is determined. Further amplitude peaks AS2, AS3,... And zero transitions t ND2 , t ND3 ,... Of the transient response are searched for and again, as before, times, heights and zero crossings determined. For each two adjacent amplitude peaks, for example in FIG. 1 for the amplitude peaks AS2 and AS3, in each case one straight line, in FIG. 1 the straight line g2, is calculated and its zero crossing, here t g2 , determined. The zero crossing closest to the beginning of the received signal with this method is then stored. From the zero crossings t ND i, t ND2 , t ND3 , ... of the received signal, a mean distance is first calculated and then so-called "virtual" zero crossings of the received signal are calculated before the first measured zero crossing The "virtual" zero crossings are then determined unambiguously and stably the time of the beginning of the received signal.
Diese Bestimmung des Beginns des Empfangssignals wird für beide Durchschallungsrichtungen erfasste Empfangssignale für die po- sitive und die negative Halbwelle durchgeführt, wonach sich nach einer Untersuchung der Einzelwerte auf zu große Abweichungen aus den Einzelwerten die Schallgeschwindigkeit bestimmen lässt. Die Bestimmung der hier vier Werte des Beginns des Empfangssignals kann parallel ablaufen und liefert einen Schallgeschwindigkeitswert, der eine Konzentrationsbestimmung des Mediums gestattet .This determination of the beginning of the received signal is carried out for both positive and negative half wave received signals for both directions of sound transmission, after which the sound velocity can be determined after an examination of the individual values for excessive deviations from the individual values. The determination of the here four values of the beginning of the received signal can take place in parallel and provides a sound velocity value which permits a concentration determination of the medium.
Demnach betrifft die vorstehende Erfindung also ein Verfahren und ein Messgerät zur Bestimmung der Konzentration in einem fließfähigen Medium mit bekannten Mischungspartnern, bei welchem über die Schallgeschwindigkeit des transportierten Mediums die Konzentration der Mischungspartner ermittelt wird.Accordingly, the above invention thus relates to a method and a measuring device for determining the concentration in a flowable medium with known mixing partners, in which on the speed of sound of the transported medium, the concentration of the mixing partners is determined.
/ Ansprüche / Claims

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration in einem fließfähigen Medium mit bekannten Mischungspartnern, gekennzeichnet zumindest durch die folgenden Verfahrensschritte : i. Durchführung wenigstens einer Schalllaufzeitmessung mittels einer Ultraschall-Messanordnung, bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung angeordnet ist sowie Bestimmung der Temperatur des Mediums an wenigstens einem Ort der Mess- strecke durch eine Einrichtung zur Temperaturermittlung; ii. Auswertung des Einschwingsignals durch eine Signalverarbeitungseinrichtung auf zwei unterschiedliche Arten: a. Bestimmung eines spätestmöglichen Nulldurchgangs durch iterative Berechnung von aus der Höhe benachbarter Amplituden des Empfangssignals gebildeter Regressionsgeraden; b. Berechnung eines mittleren Abstandes tatsächlich gemessener Nulldurchgänge des Empfangssignals und Ermittlung messtechnisch nicht erfassbarer Nulldurchgänge ; iii. Bestimmung der Schalllaufzeit aus dem Treffpunkt Nulldurchgänge der Verfahrenspunkte ii.a. und ii.b. und Ermittlung der Schallgeschwindigkeit hieraus; iv. Ermittlung der Konzentration durch Vergleich des bei gegebener oder gemessener Temperatur ermittelten Schallgeschwindigkeitswerts mit für das Gemisch in Werte-Tripeln abgelegten Werten für Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Konzentration.1. A method for determining the concentration in a flowable medium with known mixing partners, characterized at least by the following method steps: i. Carrying out at least one sound propagation time measurement by means of an ultrasonic measuring arrangement, in which at least one ultrasonic transceiver is arranged as a sensor for sound transmission of the measuring path and signal detection in the two end regions of a measuring section and determining the temperature of the medium at least one location of the measuring section a device for temperature determination; ii. Evaluation of the transient signal by a signal processing device in two different ways: a. Determining a latest possible zero crossing by iterative calculation of regression lines formed from the height of adjacent amplitudes of the received signal; b. Calculation of an average distance of actually measured zero crossings of the received signal and determination of metrologically non-detectable zero crossings; iii. Determination of the sound propagation time from the meeting point Zero crossings of the procedural points ii.a. and ii.b. and determining the speed of sound therefrom; iv. Determination of the concentration by comparing the sound velocity value determined for a given or measured temperature with that for the mixture in Value triples stored values for temperature, speed of sound and concentration.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Schalllaufzeitmessung die Messstrecke in beide2. The method according to claim 1, characterized in that in the sound propagation time measurement, the measuring section in both
Richtungen durchschallt wird.Directions are sounded through.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrenspunkt ii. für die positive und für die negative Halbwelle des Empfangssignals durchgeführt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the method point ii. is carried out for the positive and for the negative half-wave of the received signal.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dass durch eine geeignete Kombination der dortigen Verfahrenspunkte vier Schalllaufzeitbestimmungen parallel durchgeführt werden.4. Method according to claims 1 to 3, that four sound propagation time determinations are performed in parallel by a suitable combination of the local method points.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallgeschwindigkeit aus dem Mittelwert der Schalllaufzeitbestimmungen ermittelt wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the speed of sound is determined from the mean value of the sound propagation time determinations.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Schallgeschwindigkeitswert darüber hinaus zur Kompensation von in einem Phasenmessverfahren ermittelten Durchflussmesswerten des Mediums eingesetzt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determined sound velocity value is also used to compensate for determined in a phase measurement method flow measurements of the medium.
7. Messgerät zur Konzentrationsbestimmung in einem fließfähigen Medium mit bekannten Mischungspartnern, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messgerät als Ultraschall- Messanordnung vorgesehen ist, bei welcher in den beiden Endbereichen einer Messstrecke jeweils wenigstens ein Ultraschall-Sendeempfänger als Sensor zur Durchschallung der Messstrecke und zur Signalerfassung angeordnet ist, da- durch gekennzeichnet, dass an der Ultraschall-Messanordnung eine Signalverarbeitungseinrichtung angeordnet oder mit dieser verbunden ist, welche aus der Bestimmung von Amplitudenhöhen und Nulldurchgängen eines Empfangssignals der Sensoren eine Bestimmung der Konzentration von Mischungspartnern des Mediums gestattet .7. Measuring device for concentration determination in a flowable medium with known mixing partners, in particular for carrying out a method according to one of the preceding claims, wherein the measuring device is provided as an ultrasonic measuring device, wherein in each of the two end regions of a measuring section at least one ultrasonic transceiver as a sensor for the transmission of the measuring path and for signal detection is arranged, characterized in that arranged on the ultrasonic measuring device, a signal processing device or is connected to this, which from the determination of amplitude levels and zero crossings of a received signal of the sensors allows a determination of the concentration of mixing partners of the medium.
8. Messgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung mit einem Schwellwert- Schalter mit variabler Schwelle versehen ist.8. Measuring device according to claim 7, characterized in that the signal processing device is provided with a threshold value switch with a variable threshold.
9. Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Schwellwertschalters mit einem Filter versehen ist.9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the output of the threshold is provided with a filter.
10. Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Signalverarbeitungseinrichtung ein Speichermittel angeordnet ist, in welchem Wertekombinationen zumindest von Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Konzentration zum Vergleich mit aus Messungen des Messgeräts ermittelten Schallgeschwindigkeitswerten abgelegt sind.10. Measuring device according to one of claims 7 to 9, characterized in that on the signal processing means a memory means is arranged, in which value combinations at least of temperature, sound velocity and concentration are stored for comparison with determined from measurements of the measuring device sound velocity values.
11. Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest dessen mediumsberührte11. Measuring device according to one of claims 7 to 10, characterized in that at least the medium-contacted
Teile aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem hochbeständigen Kunststoff, insbesondere einem Polyolefin, beispielsweise aus Polyethylen, oder einem polymeren Fluorcarbon, beispielsweise PFA oder PTFE, gebildet sind.Parts are made of a plastic, preferably a highly resistant plastic, in particular a polyolefin, for example made of polyethylene, or a polymeric fluorocarbon, for example PFA or PTFE.
12. Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an diesem eine Einrichtung zur Temperaturermittlung an wenigstens einem Ort der Messstrecke vorgesehen ist. 12. Measuring device according to one of claims 7 to 11, characterized in that there is a device for temperature determination at at least one location of the measuring section is provided.
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