WO2012004114A1

WO2012004114A1 - Ultraschall-partikelmesssystem

Info

Publication number: WO2012004114A1
Application number: PCT/EP2011/060192
Authority: WO
Inventors: Yaoying Lin; Beat Kissling; Wolfgang Drahm; Thomas Fröhlich
Original assignee: Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-01-12
Also published as: US20130104657A1; CN102985816B; EP2591347A1; CN102985816A; DE102010031129A1; US9170240B2

Abstract

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

Description

Ultraschall-Partikelmesssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Partikelmesssystenn, mit einem Ultraschallwandler, der zumindest ein Ultraschallwandlerelement und zumindest ein Koppelelement aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement aussendbar und empfangbar sind, welcher

Ultraschallwandler in einem Messrohr angeordnet ist.

Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, auch kurz Piezo genannt, und einer Koppelschicht, auch Koppelkeil oder seltener Vorlaufkörper genannt. Die Koppelschicht ist dabei meist aus Kunststoff gefertigt, das piezoelektrische Element besteht in der industriellen Prozessmesstechnik üblicherweise aus einer

Piezokeramik. Im piezoelektrischen Element werden die Ultraschallwellen erzeugt und über die Koppelschicht zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet.

Zwischen dem piezoelektrischen Element und der Koppelschicht kann eine weitere Koppelschicht angeordnet sein, eine so genannte Anpassungsschicht. Die

Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des

Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen. Nun sind auch Verfahren und Messgeräte zu Ermittlung von Konzentration und/oder Größe von Partikeln in einem Fluid als Messmedium bekannt geworden, welche auf einem Ultraschall-Messprinzip beruhen. Die US 6,481 ,268 zeigt eben ein solches Messgerät mit zumindest einem Ultraschallwandler. Das vom Ultraschallwandler ausgesandte Ultraschallsignal wird von Partikeln im Messmedium zu dem Wandler reflektiert und dort als Echo registriert. Eine Ausgestaltung zeigt zwei sich

gegenüberstehende Ultraschallwandler an einem Messrohr, welche die

Ultraschallsignale im Wesentlichen senkrecht zur Messrohrachse senden und/oder empfangen. Eine weitere Ausgestaltung zeigt einen einzelnen Ultraschallwandler mit einem Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist, um das Ultraschallsignal im Messrohr zu fokussieren. Eine Messung des Durchflusses ist in diesem Dokument nicht vorgesehen.

In einer weiteren Patentschrift des Stands der Technik, der US 5,251 ,490 ist ein Ultraschall-Durchflussmessgerät gezeigt, welches den Durchfluss durch ein

Messrohr mit dem Doppler-Messprinzip ermittelt. Ultraschallsignale werden in Form von Wellen ausgesandt, von einer akustischen Linse fokussiert und an Partikeln im Messmedium reflektiert. Die Reflektionen sind am größten im direkten Umfeld des Fokus'. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eingekoppelten und

reflektierten Wellen wird die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt.

Die US 5,533,408 offenbart ein Ultraschall-Durchflussmessgerät mit einer

Kombination aus Laufzeitdifferenz-Prinzip und Doppler-Prinzip. Dazu sind jedoch jeweils dafür ausgestaltete Sensoren bereitgestellt. Zwischen den Sensoren der beiden Messprinzipien wird bei über- bzw. unterschreiten eines vorgegebenen Messwerts umgeschaltet.

In der WO 03/102512 A1 wir ein Verfahren vorgeschlagen zur

Laufzeitdifferenzmessung eines strömenden Fluids, wobei zusätzlich die Reflexionen des Ultraschallsignals an Partikeln im Fluid ermittelt werden, um daraus die

Konzentration der Partikel zu ermitteln. Dazu werden zwei Ultraschallwandler in der üblichen Anordnung für eine Laufzeitdifferenzmessung vorgeschlagen, wobei zumindest einer dieser Ultraschallwandler so schnell von einem Sendezustand zu einem Empfangszustand umschaltbar ist, dass er die Reflexionen seines

ausgesandten Signals an den Partikeln im Fluid empfangen kann oder es sind zusätzliche Ultraschallwandler vorgesehen, welche so angeordnet sind, dass sie die Reflexionen empfangen können. Zur Ermittlung der Konzentration und der Größe der Partikel im Messmedium wird vorgeschlagen, die Doppler-Verschiebung der sich bewegenden Partikel auszuwerten. Eine Messung in stehendem Messmedium ist somit nicht möglich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ultraschall- Partikelmesssystem bereit zu stellen, mit welchem die Partikelanzahl pro Zeiteinheit und/oder die Partikelgröße, ab einer vorgegebenen Größenordnung, von Partikeln in einem Messmedium ermittelbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 , des Anspruchs 1 1 und des Anspruchs 15. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungen finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wider.

Ein Ultraschall-Partikelmesssystem gemäß Anspruch 1 weist zumindest ein

Ultraschallwandlerelement und zumindest ein Koppelelement auf, wobei vom

Ultraschallwandlerelement im Betrieb akustische Signale über das Koppelelement aussendbar und empfangbar sind. Das Ultraschallwandlerelement ist z.B. in einem Messrohr so angeordnet, dass sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr ausbreiten, beispielsweise unter einem Winkel von 90° zur Messrohrachse oder auch in einem kleineren Winkel. Das Koppelelement ist dabei als akustische Linse ausgestaltet. Weiterhin weist das Ultraschall- Partikelmesssystem eine Auswerteeinheit auf, geeignet zur Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signalen, wobei mit der Auswerteeinheit die Beträge der Amplituden der vom Ultraschallwandler empfangenen Reflexionssignale ermittelbar sind und wobei mit der Auswerteinheit die Anzahl der Amplituden in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert.

Die Auswerteeinheit ist geeignet zur Erfassung und zur Auswertung von Amplituden von Signalen der vom Ultraschallwandlerelement empfangenen akustischen

Reflexionssignale, welche Reflexionssignale von Partikeln im Messmedium zum Ultraschallwandler zurück reflektierte, vom Ultraschallwandler ausgesandte akustische Signale sind. Mit der Auswerteeinheit werden also die Amplituden dieser, vom Ultraschallwandler empfangenen, Reflexionssignale analysiert, wobei zumindest deren Beträge, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, ermittelbar sind und wobei zumindest deren Anzahl in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind. Aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, werden die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt. Dies erfolgt über eine Zuordnung der

Amplitudenbeträge zu Partikelgrößen. Somit sind nur Partikel einer vorgegebenen Größe ermittelbar. Es gibt sowohl eine Mindestgröße, als auch eine maximale Größe der Partikel. Sind die Partikel größer als die maximale Größe können diese nicht mehr in ihrer Größe differenziert werden. Die maximale Größe ergibt sich im

Wesentlichen durch die Fokussierung der Linse. Aus der Anzahl der Amplituden, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, wird die

Parti kelkonzentration von Partikeln einer vorgegebenen Mindestgröße in dem

Messmedium ermittelt.

Das Koppelelement ist als akustische Linse ausgestaltet, beispielsweise als plankonkave akustische Linse oder als akustische Fresnel-Linse. Das Koppelelement weist eine erste Kontaktfläche auf, welche im Betrieb das Messmedium kontaktiert, und zumindest eine weitere, zweite Kontaktfläche, auf welcher das

Ultraschallwandlerelement angeordnet und befestigt ist. Die erste Kontaktfläche weist beispielsweise eine Kontur mit einem akustisch wirksamen Krümmungsradius größer 5 mm auf. Insbesondere ist dieser akustisch wirksame Krümmungsradius größer 10 mm. Gemäß einer Ausführung beträgt der akustisch wirksame

Krümmungsradius höchstens 150 mm, insbesondere höchstens 50 mm. Der

Krümmungsradius ist abhängig vom Messrohrdurchmesser und vom Werkstoff des Koppelelements sowie der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften des Messmediums, da insbesondere die Ausbreitungsgeschwindigkeit des akustischen Signals abhängig ist von dem Stoff, in welchem sich das akustische Signal ausbreitet. Linsen sind herkömmlicherweise durch mindestens eine ellipsoide Fläche oder eine Kugelfläche begrenzt. Eine Kugel weist überall die gleiche Krümmung auf, weshalb Linsen über die Krümmung definierbar sind. Ähnliches gilt für einen Ellipsoid. Eine Ausnahme bilden beispielsweise die Fresnel-Linsen. Fresnel-Linsen sind in mehrere, beispielsweise ringförmige Abschnitte aufgeteilt, welche im Querschnitt durch

Prismen angenähert werden können. Idealerweise bilden die ringförmigen Abschnitte einer Fresnel-Linse einen Ausschnitt aus einer herkömmlichen Linse mit einem vorgegebenen Krümmungsradius. Dieser ist dann vorteilhaft gleich dem akustisch wirksamen Krümmungsradius. Natürlich sind die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten einer Linse über die Brechzahlen miteinander verknüpft. Diese hängen wiederum ab von den Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement. Ein Vorteil einer Fresnel-Linse kann die geringe Dicke der Linse im Vergleich zu herkömmlichen Linsen sein. Dadurch ist das Koppelelement sehr dünn

auszugestalten, wodurch es als Anpassungsschicht zwischen Messmedium und Ultraschallwandlerelement wirken kann, indem es die Impedanzen beider

Kontaktpartner einander anpasst. Ein anderer Vorteil ergibt sich durch eine spezielle Ausgestaltung der Fresnel-Linse. Sie weist einzelne Stufen mit einer jeweiligen Höhe auf, welche jeweils näherungsweise η^*λ/2 betragen, mit n einer natürlichen Zahl und λ der Wellenlänge des akustischen Signals in der Linse. Die Linse ist also quasi als λ/2-Anpassungsschicht ausgeführt, was eine verbesserte Transmission des akustischen Signals im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse nach sich führt.

Der Ultraschallwandler kann in dem Messrohr befestigt sein, wobei das

Koppelelement des Ultraschallwandlers dann das Messmedium im Betrieb berührt, insbesondere mit seiner ersten Kontaktfläche. Es handelt sich daher um ein so genanntes Inline-Ultraschall-Partikelmesssystem.

Verwendet wird ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem

insbesondere in einer Anlage der Prozessindustrie, insbesondere in einem

Rohrleitungssystem hinter einem Partikelfilter, zur Überwachung der Funktion des Filters, z.B. zur Diagnose, ob z.B. kleine Lecks vorliegen oder wie hoch die

Durchlässigkeit des Filters für Partikel ab einer bestimmten Größe, z.B. ab einem

Durchmesser von 1 μηη, ist. Den Durchmesser der Partikel heranzuziehen, basiert auf einer Modellvorstellung. Eigentlich ist die reflektierende Fläche für das

Reflexionssignal ausschlaggebend. Jedoch werden die Partikel im Modell als Kugeln angenommen. Dabei sind die Partikel nicht größer Ι ΟΟμηη, insbesondere weisen sie einen Durchmesser nicht größer 10μηη auf, und das Messmedium nicht trüber als

100FNU, oder die Trübung des Messmediums ist z.B. kleiner 10FNU. Bei einem sehr trüben Messsignal würde das akustische Signal möglicherweise absorbiert werden, und eine Durchflussmessung ist nicht mehr möglich. Daher sollten nur Messmedien gemessen werden, welche für das menschliche Auge noch klar erscheinen. Hier wird keine hochgenaue Trübungsmessung benötigt. Einen ersten Hinweis auf eine

Fehlfunktion kann das vorhandene Ultraschall-Partikelmesssystem liefern, wenn es erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist die Nachrüstung eines bereits vorhandenen Ultraschall-Durchflussmesssystems mit zumindest einem erfindungsgemäßen Koppelelement, welches als Linse ausgestaltet ist. Es kann dabei ein kompletter Ultraschallwandler ohne Linse mit einem

erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ersetzt werden, oder das Koppelelement wird ausgetauscht. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist die Höhe des

vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar und/oder bei Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts ist ein Alarm ausgebbar.

Im Unterschied zu Trübungsmesssystem kann mit einem erfindungsgemäßen

Ultraschall-Partikelmesssystem nicht die Trübung des Messmediums nach einem der vorgegebenen Standards zur Trübungsmessung ermittelt werden, sondern lediglich, wie bereits beschrieben, die Häufigkeit von im Messmedium auftretenden Partikeln ab einer bestimmten Größe. Es handelt sich also mehr um einen Partikelzähler als um ein Trübungsmessgerät. Da für die Partikelmessung die Amplituden der

Reflexionen an den Partikeln ausgewertet werden, ohne eine Doppler-Verschiebung zu berechnen, sind die Partikel auch bei sehr langsam fließendem, theoretisch auch bei stehendem Medium noch messbar.

Durch die Fokussierung mittels der akustischen Linse werden die Partikel nur in einem kleinen Volumen der Strömung des Messmediums im Messrohr bestimmt. Dieses Volumen ist abhängig vom akustisch wirksamen Krümmungsradius der Linse ROC, den Schallgeschwindigkeiten in der Linse Ci_ens und im Messmedium CMedium und der Wellenlänge des akustischen Signals A_Medium- Das Volumen kann dabei z.B. als zylindrisch angenommen werden und wird dann als Fokalschlauch bezeichnet. Der Radius dieses Fokalschlauchs um den Brennpunkt errechnet sich beispielsweise zu r₀ =

, mit a dem Radius des Ultraschallwandlerelements und

a . Mit

c medium

einem ROC von 5 mm einer Länge des Fokalschlauchs von 0,5 mm und einem Radius des Fokalschlauchs von 0,26 mm ergibt sich ein Volumen 0,1 1 mm³.

Angenommen der ROC beträgt 50 mm, Länge und Radius sind 50,1 mm und 2,6 mm beträt das Volumen bereits 1064 mm³. In diesen Beispielen wird das

Ultraschallwandlerelement als kreisförmig angenommen. Der Radius des

Ultraschallwandlerelements, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, begrenzt natürlich das akustische Signal quer zu seiner Ausbreitungsrichtung im Moment des Aussendens. In diesem Volumen werden die akustischen Signale an den Partikeln reflektiert, womit es auch als Messvolumen bezeichnet werden könnte. In diesem Volumen wird ein sehr großer Anteil der Energie des akustischen Signals

konzentriert. Es können nur Partikel gemessen werden, an welchen die akustischen Signale ausreichend reflektiert werden. Dies ist beispielsweise an den meisten festen Partikeln der Fall. Für die Reflexion spielt neben dem Einfallswinkel des akustischen Signals auf die Oberfläche eines Partikels, die akustische Impedanz von Partikel und Messmedium bzw. die Schallgeschwindigkeiten in deren Materialen eine große Rolle. Haben Messmedium und Partikel eine identisch akustische Impedanz, ergibt sich keine Reflexion. Die akustischen Impedanzen müssen also soweit auseinander liegen, dass sich ausreichende Reflexionen ergeben. Mit einer Anhebung oder Absenkung des Schwellwerts, ab welchem die Amplituden der Reflexionssignale eingehender betrachtet werden, kann somit auch verstellt werden, welche Art von Partikeln berücksichtigt werden soll.

Das Ultraschall-Partikelmesssystem weist eine Steuereinheit auf, welche geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements zum Aussenden von zumindest zwei in ihrer jeweiligen Frequenz unterschiedlicher akustischer Signale. Diese werden insbesondere näherungsweise senkrecht vom Ultraschallwandlerelement abgestrahlt. Weist das Ultraschallwandlerelement also z.B. eine scheibenförmige Form auf, werden die akustischen Signale normal ausgesendet. Ist das scheibenförmige

Ultraschallwandlerelement dann parallel zu einer Messrohrachse angeordnet, werden die akustischen Signale senkrecht zur Messrohrachse vom

Ultraschallwandlerelement ausgesandt.

Der Frequenzbereich der ausgesandten akustischen Signale ist dabei beispielsweise variabel zwischen einem unteren und einem oberen Grenzwert einstellbar.

Üblicherweise wird nur eine Frequenz wird für die beschriebene Messung der Partikel verwendet, nachfolgend Messfrequenz genannt. Diese ist jedoch variabel, zwischen einer ersten und zumindest einer weiteren, zweiten Frequenz.

Insbesondere liegen die Messfrequenz, und damit die erste Frequenz und die zweite Frequenz, in einem Bereich von 2 MHz bis 10 MHz. Die Auflösung des Ultraschall- Parti kelmesssystems steigt mit der Messfrequenz der zur Messung genutzten akustischen Signale. Kleinere Partikel sind mit höheren Frequenzen zu detektieren. Daher weist eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einen variablen Schwellwert auf. Dieser wird in Abhängigkeit der Applikation des Ultraschall-Partikelmesssystems, beispielsweise vom Benutzer eingestellt, vorgegeben oder er wird in Abhängigkeit des Messmediums vorgegeben. Er kann auch vom Ultraschall-Partikelmesssystem selbst vorgegeben werden, z.B. in Abhängigkeit der Amplituden der

Reflexionssignale der von den Partikeln im Messmedium zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale. Insbesondere wird der Schwellwert in Abhängigkeit der Frequenz der vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale vorgegeben.

Die Messfrequenz ist beispielsweise vom Benutzer einstellbar. Je nach Applikation nimmt er die Frequenzeinstellungen vor. Alternativ nimmt das Ultraschall- Partikelmesssystem die Einstellung der Messfrequenz selbst vor, beispielsweise indem es von Zeit zu Zeit alle Frequenzen eines vorgegebenen Frequenzbereichs zur Messung nutzt und nach einer vorgegebenen Vorschrift die Messfrequenz auswählt, bis zum nächsten Zeitpunkt der Überprüfung der Messfrequenz.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das Ultraschall-Partikelmesssystem eine

Steuereinheit auf, z.B. einen Mikroprozessor, geeignet zur Anregung des

Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer ersten Form, insbesondere einer ersten Burst-Signalfolge, und geeignet zur Anregung des Ultraschallwandlerelements zum Aussenden eines akustischen Signals einer zweiten Form, insbesondere einer zweiten Burst-Signalfolge, welche von der ersten Form verschieden ist, insbesondere welche erste Burst-Signalfolge also von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. Neben kontinuierlichen Signalen, so genannten continuous waves, werden Burst-Signale zur Laufzeitdifferenzmessung mittels

Ultraschall eingesetzt. Hier nun zur Partikelbestimmung. Die Unterschiede in den Signalen können in der Anzahl der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Abständen der einzelnen Bursts in den Burst-Signalfolgen und/oder in den Pulsformen der einzelnen Burst-Signale begündet sein. Bei nur wenigen Bursts in einer Burst-Signalfolge ist die Signal-Energie geringer als bei vielen Bursts. Um eine ausreichende Amplitude der Reflexion zu erhalten, muss entsprechend viel Signalenergie in das Messmedium übertragen werden. Werden hingegen sehr viele Bursts schneller Reihenfolge ins Messmedium gesendet, ergibt sich dadurch ein schmalbandiges Signal, ähnlich einem schmalbandigen kontinuierlichen Signal.

Weitergebildet ist das Ultraschall-Partikelmesssystem so ausgestaltet, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt. Gemäß einer Ausgestaltung der Lösung liegt das Verhältnis zwischen 0,4 und 0,6. Der Ultraschallwandler ist im Messrohr angebracht. Um die Strömung nicht zu sehr zu beeinflussen, ragt er, wenn überhaupt, nur zu einem geringen Teil in das Messrohr hinein. Durch die Linse und deren Fokussierung wird das akustische Signal gebündelt; es entsteht modellhaft ein erster Signalkegel. In Signalausbreitungsrichtung nach der Fokussierung wird das akustische Signal wieder aufgefächert, es wird breiter. Somit entsteht modellhaft ein zweiter Signalkegel, welcher mit seiner Spitze die Spitze des ersten Signalkegels im Brennpunkt der Linse berührt - es entsteht, im Modell, ein Doppelkegel. Mit Krümmungsradien der akustischen Linse des Ultraschallwandlers von 5 mm bis 50 mm und Schallgeschwindigkeiten von ca. 2000 m/s bis ca. 3000 m/s im

Koppelelement des Ultraschallwandlers, welches als akustische Linse ausgestaltet ist, ergeben sich Fokuslängen von 15 mm bis 60 mm, bei Messmedien mit

Schallgeschwindigkeiten im Messmedium von 1 100 m/s bis 1900 m/s.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Koppelelement aus einem Polymer, z.B. aus PEEK oder PVC, gefertigt ist. Ultraschallwandlerelemente bestehen z.B. aus einer Piezokeramik oder PVDF. Dabei ist gemäß einer

Ausgestaltung das Ultraschallwandlerelement direkt auf eine zweite Kontaktfläche des Koppelelements geklebt. Auf eine üblicherweise zwischen Koppelelement und Ultraschallwandlerelement angeordnete Anpassungsschicht wird verzichtet. Eine Piezokeramikscheibe als Ultraschallwandlerelement oder eine PVDF-Scheibe oder PVDF-Folie steht also in direktem Kontakt mit dem Koppelelement, nur mit einer Klebstoffschicht dazwischen. Andererseits sind auch Flüssig-Ankopplungen z.B. mit Fett oder hochviskosem Öl anstelle des Klebers denkbar.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist zumindest das Ultraschallwandlerelement mit einer Messfrequenz von mindestens 2 MHz anregbar. Meist werden

Ultraschallwandlerelemente bei einer bestimmten Resonanzfrequenz angeregt. Sie besitzen einen relativ schmalen nutzbaren Frequenzbereich. Daher liegt auch die Empfangsfrequenz üblicherweise in einem Bereich um die Messfrequenz. Ein Vorteil einer hohen Messfrequenz sind die kleinen Wellenlängen des resultierenden akustischen Signals wodurch die Auflösung bei der Partikelmessung steigt - es werden kleine Partikel registriert, da auch diese ein Echo zurückreflektieren.

PVDF ist breitbandiger als eine Piezokeramik. Des Weiteren weisen PVDF-Wandler ein besseres Signal-Rauch-Verhältnis (SNR) auf. Jedoch sind die Amplituden geringer im Vergleich zu Piezokeramiken, was insbesondere zur Detektion von kleineren Partikeln nachteilig ist. Die Auswahl des Ultraschallwandlerelements wird entsprechend durch die Applikation des Ultraschall-Partikelmesssystem bestimmt. Ist ein breit nutzbares Frequenzband, also eine große Differenz zwischen erster und zweiter Frequenz applikationsbedingt erforderlich, oder eine genaue Einstellbarkeit auf vorgegebene Frequenzen, wird PVDF als Ultraschallwandlerelement ausgewählt und eingesetzt. Sind hingegen hohe Amplituden von Nöten, wird auf eine

Piezokeramik als Ultraschallwandler zurückgegriffen.

In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Parti kelmesssystem ist vorgesehen, dass das Messrohr einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20mm, insbesondere mindestens 30mm aufweist. Höchstens beträgt der

Messrohrdurchmesser beispielsweise 150mm oder z.B. gar nur 120mm. Der

Ultraschallwandler, insbesondere dessen Linse, wird entsprechend ausgewählt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung von Partikeln in dem

Messmedium, mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, welcher in einem Messrohr angeordnet ist, wobei sich die akustischen Signale entlang zumindest eines Signalpfads im Messrohr ausbreiten, werden die akustischen Signale zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale, also den Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln, vom Ultraschallwandler erzeugt. Die vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signale werden erfindungsgemäß über eine akustische Linse fokussiert. Die akustische Linse weist dabei zumindest einen Brennpunkt auf, welcher in einem Volumen im Messrohr liegt. Akustische Signale breiten sich modellhaft entlang eines geraden Signalpfads aus. In der Realität ist deren Ausbreitung abhängig von vielen Faktoren und ist z.B. keulenförmig.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt, an welchen diese Reflexionssignale reflektiert wurden. Die Partikelgröße wird somit über den Betrag der empfangenen Amplitude des Reflexionssignals, oder anders genannt, des Echos, ermittelt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird beispielsweise ein Alarm ausgegeben, bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts und/oder Alarm ausgegeben bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Partikeln größer eines vorgegebenen Schwellwerts in einem vorgegebenem zeitlichen Intervalls.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Höhe des vorgegebenen Schwellwerts im Betrieb anpassbar, z.B. durch den Benutzer, oder sie wird

automatisch angepasst abhängig von Prozessparametern wie z.B. dem

Messmedium und den in dem Messmedium befindlichen Partikeln, insbesondere deren akustische Impedanzen im Vergleich zur akustischen Impedanz des

Messmediums. In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird

vorgeschlagen, dass aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen

Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, also aus deren

Häufigkeit, welche Amplituden größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Parti kelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird. Das Ultraschallwandlerelement liefert ein Spannungssignal, welches in einer Auswerteinheit verarbeitet wird. Natürlich nimmt das Ultraschallwandlerelement auch Störungen auf, welche in dem Spannungssignal als Rauschen bezeichnet werden. Wird nun eine Schwel Iwertanalyse des Signals durchgeführt, werden nur diejenigen Werte weiterverarbeitet und somit als Partikel erkannt, welche über diesem

vorgegebenen Schwellwert liegen. Diese Amplituden oder Peaks werden einerseits gezählt und damit auf die Partikelhäufigkeit geschlossen und andererseits über deren Betrag die Partikelgröße bestimmt.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallwandler zu einer ersten Burst-Signalfolge angeregt wird zu einer zweiten Burst-Signalfolge angeregt wird, wobei die erste Burst-Signalfolge von der zweiten Burst-Signalfolge verschieden ist. So können zwei verschiedene Burst-Signalfolgen für die

Partikelmessung verwendet werden.

In einer weiteren Verfahrensweiterbildung wird zumindest der Ultraschallwandler zu einer Messfrequenz größer 2 MHz angeregt. Die Messfrequenz kann auch höher als 5 oder 10 MHz sein, z.B. auch 20 MHz. Da für die Wellenlänge des akustischen Signals gilt: λ = c/f, mit c der Schallgeschwindigkeit und f der Messfrequenz, ist die Wellenlänge kleiner bei einer höheren Messfrequenz und sonst gleichen

Bedingungen. Dadurch sind kleinere Partikel detektierbar. Ist die Messfrequenz viel größer als 20 MHz ist die Absorption des akustischen Signals im Messmedium sehr hoch, auch wenn nur wenige Partikel im Messmedium enthalten sind. Ein

ausreichend starkes akustisches Signal zur Durchflussmessung scheint dann nur sehr schwer zu realisieren.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystem,

Fig. 2 zeigt einen Ultraschallwandler eines erfindungsgemäßen Ultraschall- Partikelmesssystems. In Fig. 1 ist erfindungsgemäßes Ultraschall-Partikelmesssystenn 1 schematisch dargestellt. Ein Ultraschallwandler 2, welcher über ein Koppelelement akustische Signale aussendet und/oder empfängt, ist unter einem Winkel zur Messrohrachse in einem Messrohr 8 befestigt. Es handelt sich hierbei um ein so genanntes Inline- Messsystem. Die Mittelachse durch den Ultraschallwandler 2 soll hier modellhaft einen Signalpfad kennzeichnen, entlang welchem sich Ultraschallsignale ausbreiten.

Der Ultraschallwandler 2 weist eine akustische Linse 10 auf. Durch diese werden Ultraschallsignale im Messrohr 8 fokussiert. Der Brennpunkt der akustischen Linse 10 des Ultraschallwandlers 2 liegt in dem Volumen zur Partikelmessung 1 1 . Dieses Volumen 1 1 ergibt sich aus der Fokussierung der Linse. Es ist hier

rotationssymmetrisch um den Signalpfad 9 und im dargestellten Querschnitt im

Wesentlichen elliptisch gezeichnet. In diesem Volumen werden Partikel durch

Reflexionen des akustischen Signals an den Partikeln registriert.

Eine bestimmungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Partikel messsystems ist z.B. in einem Rohrleitungssystem stromabwärts eines Filters, also in Strömungsrichtung des Messmediums durch das Rohrleitungssystem nach dem Filter, z.B. zur Funktionsüberwachung des Filters.

Fig. 2 veranschaulicht den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 2. Dieser weist ein Ultraschallwandlerelement 4 auf, z.B. eine Hochfrequenz- Piezokeramik. Alternativ ist auch eine PVDF-Scheibe als Ultraschallwandlerelement verwendbar. Dieses Ultraschallwandlerelement 4 kann sowohl elektrische Signale in mechanische Schwingungen und damit in akustische Signale wandeln, als auch akustische Signale in elektrische. Es fungiert somit als Sensor und als Aktor. Das Ultraschallwandlerelement 4 sendet und empfängt akustische Signale über ein

Koppelelement, welches als akustische Linse 10 ausgestaltet ist. Das Koppelelement bzw. die akustische Linse 10 weist mehrere Oberflächen auf, eine erste

Kontaktfläche 6, welche im Betrieb das Messmedium im Messrohr berührt und eine zweite Kontaktfläche 7, welche in Kontakt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 steht. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist beispielsweise direkt auf die zweite

Kontaktfläche 7 der akustischen Linse 10 geklebt, ohne eine weitere

Anpassungsschicht dazwischen. Dies soll hier jedoch nicht ausgeschlossen werden. Das Ultraschallwandlerelement 4 ist über zwei Kabel 13 und einen Steckanschluss 14 mit einem nicht dargestellten Messumformer verbunden. In dem Anschlussraum 12 im Ultraschallwandler 2 hinter dem Ultraschallwandlerelement 4 kann ein so genanntes Backing vorgesehen sein, ein Schwingungsdämpfer, welcher direkt mit dem Ultraschallwandlerelement 4 verbunden ist. Der Anschlussraum 12 wird in diesem Beispiel durch das Gehäuse 3 um das Ultraschallwandlerelement 4 begrenzt.

Die Linse 10 ist hier als plankonkave Linse, mit einer ersten Kontaktfläche 6, welche einen vorgegebenen Krümmungsradius, hier z.B. 14 mm aufweist, und einer ebenen zweiten Kontaktfläche 7 ausgestaltet. Gleichermaßen könnte die Linse 10 als

Fresnel-Linse ausgestaltet sein, mit einer, eine Kontur aufweisende, also einer konturierten ersten Kontaktfläche 6, welche einen gleichartig akustisch wirksamen Krümmungsradius aufweist. Eine Fresnel-Linse ist in mehrere Segmente bzw.

Abschnitte unterteilt, welche zusammen diese Kontur mit dem akustisch wirksamen Krümmungsradius bilden.

Die akustisch wirksamen Krümmungsradien und die Brennweiten der Linsen sind über die Brechzahlen miteinander verknüpft, wobei diese von den

Schallgeschwindigkeiten im Messmedium bzw. im Koppelelement abhängen. Die Stufenhöhe einer Fresnel-Linse ist beispielsweise gegeben durch η^*λ/2, mit λ der

Wellenlänge des akustischen Signals im Koppelelement und n einer natürlichen Zahl.

Bezugszeichenliste

1 Ultraschall-Partikelmesssystenn

2 Ultraschallwandler

3 Ultraschallwandlergehäuse

4 Ultraschallwandlerelement

5 Koppelelement

6 Erste Kontaktfläche des Koppelelements

7 Zweite Kontaktfläche des Koppelelements

8 Messrohr

9 Signalpfad

10 Akustische Linse

1 1 Volumen zur Partikelmessung

12 Anschlussraum im Ultraschallwandler

13 Kabel

14 Steckanschluss

Claims

Patentansprüche

1 . Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ), mit einem Ultraschallwandler (2), welcher zumindest ein Ultraschallwandlerelement (4) und zumindest ein

Koppelelement (5) aufweist, wobei vom Ultraschallwandlerelement (4) im

Betrieb akustische Signale über das Koppelelement (5) aussendbar und empfangbar sind, wobei das Koppelelement (5) als akustische Linse ausgestaltet ist, und wobei das Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) eine Auswerteeinheit aufweist, geeignet zur Amplitudenanalyse von

Reflexionssignalen der von Partikeln zum Ultraschallwandler (2) reflektierten akustischen Signale, wobei mit der Auswerteeinheit eine Anzahl von

Amplituden der Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall zählbar sind, welche größer sind, als ein vorgegebener Schwellwert,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ultraschallwandlerelement (4) geeignet ist, ein erstes akustisches

Signal einer ersten Frequenz auszusenden, und dass das

Ultraschallwandlerelement (4) geeignet ist, ein zweites akustisches Signal einer zweiten Frequenz auszusenden, und dass das Ultraschall- Partikelmesssystem (1 ) eine Steuereinheit aufweist, welche geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden des ersten akustischen Signals und welche Steuereinheit geeignet ist zur Anregung des Ultraschallwandlerelements (4) zum Aussenden des zweiten akustischen Signals, wobei die erste Frequenz ungleich der zweiten Frequenz ist.

2. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Frequenz zumindest 2 MHz beträgt und dass die zweite Frequenz höchstens 10 MHz beträgt.

3. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Ultraschallwandler (4) in einem Messrohr (8) so angeordnet ist, und dass der Ultraschallwandler (4) zum Aussenden des ersten akustischen Signals und des zweiten akustischen Signals entlang eines gemeinsamen Signalpfads (9) so angeregt ist, dass der Signalpfad (9) einen Winkel von 90^c zu einer Messrohrachse aufweist.

4. Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ultraschall-Partikelmesssystenn (1 ) so ausgestaltet ist, dass das Verhältnis von Brennweite der akustischen Linse in wässrigen Messmedien zu einem Durchmesser des Messrohrs mindestens 0,2 beträgt.

5. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest das Koppelelement (5) als plankonkave akustische Linse ausgestaltet ist.

6. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest das Koppelelement (5) als akustische Fresnel-Linse

ausgestaltet ist.

7. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest das Koppelelement (5) aus einem Polymer gefertigt ist.

8. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ultraschallwandlerelement (4) direkt auf eine zweite Kontaktfläche (6) des Koppelelements (5) geklebt ist.

9. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Frequenz und die zweite Frequenz einstellbar sind.

10. Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (8) einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt aufweist, mit einem Durchmesser von mindestens 20mm.

1 1 .Verfahren zur Erfassung von Partikeln in einem Messmedium, mit einem

Ultraschallwandler (2), welcher in einem Messrohr (8) angeordnet ist, wobei akustische Signale vom Ultraschallwandler (2) zur Erfassung von Partikeln in dem Messmedium mittels einer Amplitudenanalyse von Reflexionssignalen der von den Partikeln zum Ultraschallwandler reflektierten akustischen Signale erzeugt werden, wobei zumindest die vom Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale über eine akustische Linse fokussiert werden,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Frequenz der vom Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale nach einer vorgegebenen Vorschrift innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass aus den Amplituden der empfangenen Reflexionssignale, welche größer sind als ein vorgegebener Schwellwert, die Partikelgrößen der Partikel im Messmedium ermittelt werden, wobei aus der Anzahl der Amplituden der empfangenen Reflexionssignale in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall, welche Amplituden größer sind als der vorgegebene Schwellwert, die

Partikelkonzentration in dem Messmedium ermittelt wird

13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Schwellwert in Abhängigkeit der Frequenz der vom

Ultraschallwandler (2) erzeugten akustischen Signale vorgegeben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Ultraschallwandler (2) zum Aussenden des akustischen Signals mit einer Frequenz größer als 2 MHz angeregt wird.

15. Verwendung eines Ultraschall-Partikelmesssystenns (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Ultraschall-Partikelmesssystem (1 ) in einem Rohrleitungssystem nach einem Partikelfilter angeordnet ist.