WO2015154999A1 - Vorrichtung zum trennen einer emulsion und/oder einer suspension - Google Patents

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WO2015154999A1
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control signal
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electrical control
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Werner Hartmann
Martin Hergt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations

Definitions

  • the present invention relates to a device for separating an emulsion and / or a suspension with a signal generator for providing an electrical voltage, an amplifier device for generating an electrical control signal from the electrical voltage and an electro-mechanical converter device for generating an ultrasonic signal as a function of the electrical Control signal, wherein the electromechanical transducer device is adapted to couple the ultrasonic signal in the emulsion or suspension.
  • product water In many industrial processes, such as mining, well drilling and oil and gas extraction usually produces so-called product water.
  • this product water contains a certain amount of dissolved solid particles.
  • oil drops may be present in the product water.
  • these soils In order to be able to reuse the water or to recycle it to the environment, these soils must be removed from the product water.
  • different physical processes are used to remove most of the dissolved particles from the product water.
  • a device for gravity separation, centrifuges, hydrocyclones or the like can be used.
  • Small particles in the product water such as oil droplets having a diameter smaller than 20 microns, usually form stable emulsions or suspensions, and can be removed with the commonly used methods difficult from the product water.
  • Other known methods such as the use of appropriate filters, are usually expensive and require large amounts of energy.
  • Filters should not be used continuously because they need to be cleaned accordingly.
  • the particles in particular oil particles
  • the particles are separated from the substantially aqueous solution or emulsion in that they are moved into specific areas where they are concentrated and agglomerate into larger particles and / or coalesce.
  • These larger particles which may be formed, for example, as drops or agglomerates, may then be removed by the known standard techniques, such as centrifuges or gravitational separation devices.
  • an ultrasonic signal is coupled into the suspension or emulsion such that a standing wave is formed in the suspension or emulsion. The forces of the sound field cause a drift of the corresponding particles to the nodes of the standing wave, where the particles agglomerate (solid particles) or coalesce (drops).
  • an electromechanical converter device which is operated, for example, with frequencies between 0.5 and 2 MHz with an average power of a few W / cm 2 .
  • a corresponding reflector or second transducer means operated in phase with the first transducer means is required.
  • the reflector must be positioned with an accuracy of a few percent of the acoustic wavelength. Because the temperature and / or the composition of the product water may change over time, it is necessary to change the frequency of the control signal of the converter device and / or the position of the reflector. It is an object of the present invention to provide a device for separating an emulsion and / or a suspension of the type mentioned, which can be operated energy-efficiently.
  • the inventive device for separating an emulsion and / or a suspension comprises a signal generator for providing an electrical voltage, an amplifier device for generating an electrical control signal from the electrical voltage and an electromechanical
  • Converter means for generating an ultrasonic signal in response to the electrical control signal, wherein the electromechanical transducer means is adapted to couple the ultrasonic signal in the emulsion and / or the suspension, and wherein the amplifier means is designed as a switching amplifier and the device is an electric filter device for filtering the electrical Control signal has.
  • the present invention is based on the finding that the use of electrical amplifier devices or amplifiers having a high signal quality, for use in a device for separating an emulsion and / or a suspension by means of an ultrasonic signal is not required.
  • the electromechanical conversion device is usually operated with a high electric power. It is not necessary to use, for example, class A amplifiers or class A / B amplifiers.
  • the amplifier device is designed as a switching amplifier. Such an amplifier may also be referred to as a switching amplifier.
  • the amplifier device can be used as a class D amplifier be formed.
  • the amplifier device may be designed as a class E amplifier or as a class F amplifier.
  • the power required in the amplifier device can be significantly reduced. For example, an efficiency of 95% can be achieved with a switching amplifier. Compared to a commonly used Class A amplifier, for example, having an efficiency of 50%, thus an energy-efficient operation of the device can be made possible.
  • the amplifier device can be made compact and less expensive.
  • the device also comprises an electrical filter device.
  • the electrical filter device can be connected on the input side to the electrical amplifier device and on the output side to the electromechanical converter.
  • the control signal provided by the amplifier device can be correspondingly filtered or adapted.
  • the operating state of the electromechanical transducer device comprising, for example, a piezoelectric element can be adjusted accordingly.
  • the amplifier device is designed to generate a rectangular signal as the electrical control signal.
  • the amplifier device can have corresponding switching elements, for example transistors or the like.
  • the filter device can be designed to save space.
  • this can be arranged in close proximity to the electromechanical transducer device.
  • the amplifier device together with the electromechanical transducer means are arranged in a common housing.
  • the electrical filter device is designed to generate harmonics with a predetermined one
  • the electrical filter device comprises a low-pass filter and / or a band-pass filter.
  • the cutoff frequency or the cutoff frequencies of the filter device can be selected such that the harmonics in the electrical control signal are suppressed.
  • the filter device can be designed, for example, as a passive filter. In particular, the filter device has no resistive components. Thus, a filter device can be provided which has a low energy requirement.
  • the signal generator is designed to provide a time-varying electrical voltage and the device comprises a phase-locked loop for setting a phase and / or a frequency of the time-varying voltage.
  • a phase-locked loop which can also be referred to as a phase-locked loop (PLL)
  • PLL phase-locked loop
  • the device comprises a hydrophone for detecting the in the emulsion and / or the suspension coupled to the ultrasonic signal and the phase locked loop is adapted to adjust the phase and / or the frequency of the electrical voltage as a function of the detected ultrasonic signal.
  • the phase-locked loop can accurately match the voltage supplied to the signal generator in response to a signal from the hydrophone.
  • the device has a directional coupler for detecting the electrical control signal
  • the phase-locked loop is designed to set the phase and / or the frequency of the electrical voltage as a function of the detected electrical control signal.
  • the electrical control signal generated by the amplifier device can be reliably detected.
  • the phase and / or the frequency of the temporally changed voltage which is provided with the signal generator, can be reliably readjusted.
  • the directional coupler and the electrical filter device are preferably arranged in a common housing.
  • the directional coupler on an integrated electric filter.
  • the amplifier device and the electromechanical converter device are arranged in a common housing. In this way, a device for separating an emulsion and / or suspension can be provided, which is arranged to save space particularly.
  • the signal generator, the amplifier device, the electromechanical Transducer device and the electric filter device arranged on a common circuit board.
  • the phase-locked loop can be arranged on this printed circuit board.
  • the printed circuit board is particularly adapted to the shape of the reactor when the hydrophone is integrated on the printed circuit board. If a directional coupler is used, this can also be arranged on the circuit board. In this way, an apparatus for separating an emulsion and / or a suspension can be provided, which is compact.
  • the device has at least one further electromechanical converter device and at least one further electrical amplifier device for providing an electrical control signal for the at least one further electromechanical converter device.
  • the apparatus may comprise a plurality of amplifier means, each of which serves enhancement means, an electromechanical one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for
  • FIG. 2 shows a device according to the invention for separating a
  • 4 shows a filter device for the device in a further embodiment
  • 5 shows a device having a phase locked loop and a hydrophone
  • FIG. 6 shows a device having a phase locked loop and a directional coupler
  • Transducer device is arranged outside a circuit board.
  • the device 1 shows a device 1 for separating an emulsion and / or a suspension.
  • the device 1 can be used for separating product water into its components.
  • Product water occurs, for example, in mining, drilling and oil and gas extraction.
  • the product water includes water as well as contaminants that may be present as particles or as oil drops.
  • the device 1 comprises a signal generator 2 with which an electrical voltage can be provided.
  • a time-varying electrical voltage such as a high-frequency AC voltage can be provided.
  • the electrical voltage provided by the signal generator 2 has the nominal frequency f soll.
  • the device 1 comprises an amplifier device 3, which is electrically connected to the signal generator 2.
  • the amplifier device 3 is designed to provide an electrical control signal from the electrical voltage.
  • the electrical voltage provided with the control unit 2 can be amplified by the amplifier device 3.
  • the device 1 to an electromechanical transducer device 4 the is designed to convert the electrical control signal into a sound signal in the ultrasonic range.
  • the electromechanical converter device 4 may, for example, comprise a piezoelectric element or a corresponding actuator.
  • the electromechanical transducer device 4 is disposed within the emulsion or suspension, so that the ultrasonic waves in the emulsion or suspension
  • the device 1 comprises a directional coupler 5, with which the electrical control signal can be detected and transmitted to an oscilloscope 6.
  • the amplifier device 3 power amplifiers formed as class A amplifiers or as class A / B amplifiers are commonly used.
  • the amplifier device 3 When the amplifier device 3 is designed in such an operating mode, it usually has an efficiency of 50% (class A) or 64% (class B). This means that approximately half of the electrical power within the amplifier device 3 is converted into heat, which must be dissipated by means of corresponding cooling devices.
  • coaxial cables 7 having a characteristic impedance of 50 ohms are commonly used.
  • the amplifier device 3 is designed as a switching amplifier.
  • the amplifier device 3 may be designed as a class D amplifier, as a class E amplifier or as a class F amplifier.
  • the amplifier device 3 can be output as the electrical control signal 8, a square wave signal.
  • the filter device 9 can be designed such that it provides a filtered electrical control signal 10 which has no harmonics and which is of sinusoidal design.
  • the electric filter device 9 may be formed, for example, as a passive filter. A first embodiment of the electric filter device 9 is shown in FIG. In this case, the filter device 9 has an in
  • the electrical filter device 9 has a capacitor C 1 connected in parallel with the coil L 1.
  • the filter device 9 is designed as a low pass.
  • the electric filter device 9 is designed as a bandpass filter.
  • the filter device 9 according to FIG. 3 is designed in the manner of a passive P or T filter and has the coil L2 and the capacitor C2 as well as the coil L4 and the capacitor C4, which are electrically connected in series.
  • the filter device 9 has the coil L3 and the capacitor C3, which are connected in parallel to the coil L2, the capacitor C2 and the coil L4 and the capacitor C4.
  • 3 shows a device 1 in a further embodiment. In this illustration, the filter device 9 is not shown. In this case, the device has a phase-locked loop 11.
  • the control loop 11 comprises a
  • Phase discriminator 12 for which an offset for the phase 4> o ff set of the electrical voltage can be specified.
  • the phase-locked loop 11 has an amplifier element 13.
  • the device 1 comprises a hydrophone 14, with which the ultrasonic waves coupled into the emulsion and / or suspension can be detected. Depending on the signal of the hydrophone 14 can by means of
  • Phase discriminators 12 a frequency difference Af are determined, which is subtracted in a control loop from the desired frequency f So ii. In this way, the frequency and / or phase of the electrical voltage supplied to the signal generator 2 can be adjusted exactly.
  • the signal generator 2 is formed in the present embodiment as a voltage-controlled oscillator (voltage-controlled oscillator, VCO).
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • 6 shows the device 1 in a further embodiment.
  • the device 1 according to FIG. 6 differs from the device 1 according to FIG. 5 in that, instead of the hydrophone, a directional coupler 5 is provided with which the electrical control signal 8 or the filtered electrical control signal 9 can be detected. Depending on the detected signal, the phase and / or the frequency of the electrical voltage provided with the signal generator 2 can be adjusted.
  • all components shown can be arranged on a common printed circuit board 15 or board.
  • all components shown can also be arranged in a common housing.
  • elements with which the components, in particular the amplifier device 3, are supplied with DC voltage, are likewise arranged on this printed circuit board 15.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a device 1 which differs from the device 1 according to FIG. 6 in that the electromechanical converter device 4 is arranged outside the printed circuit board 15. Such an arrangement can be used, for example, if several electromechanical converter devices 4 are to be operated. In this case, on the respective circuit board
  • the control circuit for the device 1 which can be connected to an electromechanical transducer device 4 respectively.
  • an energy-efficient operation of the device 1 can be provided.
  • a device 1 can be provided which has a small installation space.
  • a cooling device for cooling the amplifier device 3 can be dispensed with.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension mit einem Signalgenerator (2) zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung, einer Verstärkereinrichtung (3) zum Erzeugen eines elektrischen Steuersignals (8) aus der elektrischen Spannung und einer elektromechanischen Wandlereinrichtung (4) zum Erzeugen eines Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignals (8), wobei die elektromechanischen Wandlereinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, das Ultraschallsignal in die Emulsion und/oder die Suspension einzukoppeln, und wobei die Verstärkereinrichtung (3) als Schaltverstärker ausgebildet ist und die Vorrichtung (1) eine elektrische Filtereinrichtung (9) zum Filtern des elektrischen Steuersignals aufweist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder einer
Suspension
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension mit einem Signalgenerator zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung, einer Verstärkereinrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Steuersignals aus der elektrischen Spannung und einer elekt- romechanisehen Wandlereinrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignal, wobei die elektromechanische Wandlereinrichtung dazu ausgebildet ist, das Ultraschallsignal in die Emulsion oder Suspension einzukoppeln .
In vielen industriellen Prozessen, wie beispielsweise dem Bergbau, bei Brunnenbohrungen sowie der Öl- und Gasgewinnung entsteht üblicherweise sogenanntes Produktwasser. Dieses Pro- duktwasser umfasst neben Wasser eine bestimmte Menge an gelösten Feststoffpartikeln. Beispielsweise können Öltropfen in dem Produktwasser vorhanden sein. Um das Wasser wieder verwenden zu können oder dieses der Umwelt wieder zuführen zu können, müssen diese Verschmutzungen aus dem Produktwasser entfernt werden. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche physikalische Prozesse verwendet, um den Großteil der gelösten Partikel aus dem Produktwasser zu entfernen. Hierzu kann beispielsweise eine Vorrichtung zur Schwerkrafttrennung, Zentrifugen, Hydrozyklonen oder dergleichen verwendet werden.
Kleine Partikel in dem Produktwasser, wie beispielsweise Öltropfen, die einen Durchmesser kleiner als 20 μπι aufweisen, bilden üblicherweise stabile Emulsionen bzw. Suspensionen aus, und können mit den üblicherweise verwendeten Verfahren nur schwer aus dem Produktwasser entfernt werden. Weitere bekannte Methoden, wie beispielsweise die Verwendung von entsprechenden Filtern, sind in der Regel teuer und benötigen große Mengen von Energie. Darüber hinaus können derartige Filter nicht kontinuierlich verwendet werden, da diese entsprechend gereinigt werden müssen.
Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen be- kannt, bei denen Ultraschall in die Suspension bzw. Emulsion eingekoppelt wird. Hierbei werden die Partikel, insbesondere Ölpartikel, aus der im Wesentlichen wässrigen Lösung bzw. Emulsion dadurch getrennt, dass diese in bestimmte Bereiche bewegt werden, an denen diese konzentriert vorliegen und zu größeren Partikeln agglomerieren und/oder koaleszieren . Diese größere Partikel, die beispielsweise als Tropfen oder Agglomerate ausgebildet sein können, können dann mit den bekannten Standardtechniken, wie beispielsweise Zentrifugen oder Vorrichtungen zur Schwerkrafttrennung, entfernt werden. Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird ein Ultraschallsignal derart in die Suspension bzw. Emulsion eingekoppelt, dass sich in der Suspension bzw. Emulsion eine stehende Welle ausbildet. Die Kräfte des Schallfelds bewirken einen Drift der entsprechenden Partikel zu den Knoten der stehenden Welle, wo die Partikel agglomerieren (feste Partikel) oder koaleszieren (Tropfen) .
Um eine derartige Vorrichtung zum Trennen eines Gemisches mittels Ultraschall zu betreiben, wird ein elektromechani - sches Wandlereinrichtung verwendet, das beispielsweise mit Frequenzen zwischen 0,5 und 2 MHz bei einer durchschnittlichen Leistung von einigen W/cm2 betrieben wird. Dadurch, dass die Resonanzfrequenz des Systems erreicht werden muss, um eine stehende Welle mit einer ausreichenden Intensität zu er- zeugen, ist üblicherweise ein entsprechender Reflektor oder eine zweite Wandlereinrichtung, welche in Phase mit der ersten Wandlereinrichtung betrieben wird, nötig. Der Reflektor muss beispielsweise mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent der akustischen Wellenlänge positioniert sein. Dadurch, dass sich die Temperatur und/oder die Zusammensetzung des Produkt- wassers im Laufe der Zeit ändern kann, ist es notwendig, die Frequenz des Steuersignals der Wandlereinrichtung und/oder die Position des Reflektors zu verändern. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Trennung einer Emulsion und/oder einer Suspension der eingangs genannten Art bereitzustellen, die energieeffizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen An- Sprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension umfasst einen Signalgenerator zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung, eine Verstärker- einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Steuersignals aus der elektrischen Spannung und eine elektromechanisches
Wandlereinrichtung zum Erzeugen eines Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignal, wobei die elektromechanische Wandlereinrichtung dazu ausgebildet ist, das Ultraschallsignal in die Emulsion und/oder die Suspension einzukoppeln, und wobei die Verstärkereinrichtung als Schaltverstärker ausgebildet ist und die Vorrichtung eine elektrische Filtereinrichtung zum Filtern des elektrischen Steuersignals aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung von elektrischen Verstärkereinrichtungen bzw. Verstärkern, die eine hohe Signalqualität aufweisen, für die Anwendung in einer Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension mittels eines Ultraschallsignals nicht erforderlich ist. In der Vorrichtung wird die elektromechanische Wandlereinrichtung üblicherweise mit einer hohen elektrischen Leistung betrieben. Hierbei ist es nicht notwendig, dass beispielsweise Klasse-A-Verstärker oder Klasse-A/B- Verstärker verwendet werden. Vorliegend ist die Verstärkereinrichtung als Schaltverstärker ausgebildet. Ein derartiger Verstärker kann auch als schaltender Verstärker bezeichnet werden. Bevorzugt kann die Verstärkereinrichtung als Klasse- D-Verstärker ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Verstärkereinrichtung als Klasse-E-Verstärker oder als Klasse-F- Verstärker ausgebildet sein. Durch die Verwendung eines Schaltverstärkers kann die in der Verstärkereinrichtung benötigte Leistung deutlich reduziert werden. Beispielsweise kann mit einem Schaltverstärker ein Wirkungsgrad von 95 % erreicht werden. Im Vergleich zu einem üblicherweise verwendeten Klasse-A-Verstärker, der beispiels- weise einen Wirkungsgrad von 50 % aufweist, kann somit ein energieeffizienter Betrieb der Vorrichtung ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Verstärkereinrichtung kompakt und kostengünstiger ausgebildet werden. Zudem kann auf ein Kühl- system verzichtet werden, das bei üblicherweise verwendeten Verstärkereinrichtungen verwendet wird. Alternativ dazu kann das Kühlsystem deutlich reduziert werden.
Die Vorrichtung umfasst zudem eine elektrische Filtereinrichtung. Die elektrische Filtereinrichtung kann eingangsseitig mit der elektrischen Verstärkereinrichtung und ausgangsseitig mit dem elektromechanische Wandler verbunden sein. Somit kann mit der Filtereinrichtung das von der Verstärkereinrichtung bereitgestellte Steuersignal entsprechend gefiltert bzw. an- gepasst werden. Somit kann der Betriebszustand der elektrome- chanischen Wandlereinrichtung, die beispielsweise ein piezoelektrisches Element umfasst, entsprechend angepasst werden.
Bevorzugt ist die Verstärkereinrichtung dazu ausgebildet, als das elektrische Steuersignal ein Rechtecksignal zu erzeugen. Zum Erzeugen eines entsprechenden Rechtecksignals kann die Verstärkereinrichtung entsprechende Schaltelemente, beispielsweise Transistoren oder dergleichen, aufweisen. Somit kann eine einfache und kostengünstige Verstärkereinrichtung bereitgestellt werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich da- durch, dass die Filtereinrichtung besonders platzsparend ausgebildet sein kann. Somit kann diese in unmittelbarer Nähe zu der elektromechanischen Wandlereinrichtung angeordnet werden. Beispielsweise kann die Verstärkereinrichtung zusammen mit der elektromechanisehen Wandlereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden.
In einer Ausführungsform ist die elektrische Filtereinrich- tung dazu ausgebildet, Oberwellen mit einer vorbestimmten
Frequenz aus dem elektrischen Steuersignal zu filtern. Insbesondere wenn mit der Verstärkereinrichtung ein Rechtecksignal erzeugt wird, entstehen hierbei üblicherweise Oberwellen bzw. Harmonische. Diese Oberwellen können bewirken, dass die elektromechanische Wandlereinrichtung Ultraschallwellen mit den Frequenzen der Oberwellen erzeugt. Wenn diese Oberwellen aus dem Steuersignal gefiltert werden, kann ein energieeffizienter Betrieb der Wandlereinrichtung ermöglicht werden. In einer Ausgestaltung umfasst die elektrische Filtereinrichtung einen Tief assfilter und/oder einen Bandpassfilter. Dabei können die Grenzfrequenz bzw. die Grenzfrequenzen der Filtereinrichtung derart gewählt werden, dass die Oberwellen in dem elektrischen Steuersignal unterdrückt werden. Die Fil- tereinrichtung kann beispielsweise als passives Filter ausgebildet sein. Insbesondere weist die Filtereinrichtung keine resistiven Komponenten auf. Somit kann eine Filtereinrichtung bereitgestellt werden, die einen geringen Energiebedarf aufweist .
Weiterhin hat es sich vorteilhaft gezeigt, wenn der Signalgenerator dazu ausgebildet ist, eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung bereitzustellen und die Vorrichtung eine Phasenregelschleife zum Einstellen einer Phase und/oder einer Frequenz der zeitlich veränderlichen Spannung umfasst. Mit einer Phasenregelschleife , die auch als Phase-Locked Loop (PLL) bezeichnet werden kann, kann die mit dem Signalgenerator bereitgestellte elektrische Spannung entsprechend ange- passt werden, um die elektromechanische Wandlereinrichtung in der Resonanzfrequenz zu betreiben.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Hydrophon zum Erfassen des in die Emulsion und/oder die Suspension eingekoppelten Ultraschallsignals auf und die Phasenregel - schleife ist dazu ausgebildet, die Phase und/oder die Frequenz der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von dem er- fassten Ultraschallsignal einzustellen. Mit einem Hydrophon bzw. einem Unterwassermikrofon kann die Ausbreitung des Ultraschallsignals in der Emulsion bzw. Suspension kontinuierlich überprüft werden. Die Phasenregelschleife kann die mit dem Signalgenerator bereitgestellte elektrische Spannung in Abhängigkeit von einem Signal des Hydrophon genau anpassen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Richtkoppler zum Erfassen des elektrischen Steuersignals auf und die Phasenregelschleife ist dazu ausgebildet, die Phase und/oder die Frequenz der elektrischen Spannung in Abhängig- keit von dem erfassten elektrischen Steuersignal einzustellen. Mit einem Richtkoppler kann das elektrische Steuersignal, das von der Verstärkereinrichtung erzeugt wird, zuverlässig erfasst werden. In Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Steuersignal kann die Phase und/oder die Fre- quenz der zeitlich veränderten Spannung, die mit dem Signalgenerator bereitgestellt wird, zuverlässig nachgeregelt werden .
Bevorzugt sind der Richtkoppler und die elektrische Filter- einrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Mit anderen Worten weist der Richtkoppler ein integriertes elektrisches Filter auf. Auf diese Weise kann eine platzsparende Anordnung erreicht werden. In einer weiteren Ausführung sind die Verstärkereinrichtung und die elektromechanische Wandlereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder Suspension bereitgestellt werden, die besonders Bauraum sparend angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung sind der Signalgenerator, die Verstärkereinrichtung, die elektromechanische Wandlereinrichtung und die elektrische Filtereinrichtung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. In gleicher Weise kann die Phasenregelschleife auf dieser Leiterplatte angeordnet sein. Bei der Verwendung eines Hydrophons kann auch die- ses auf der Leiterplatte angeordnet sein. Die Leiterplatte ist insbesondere an die Form des Reaktors angepasst, wenn das Hydrophon auf der Leiterplatte integriert ist. Falls ein Richtkoppler verwendet wird, kann auch dieser auf der Leiterplatte angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension bereitgestellt werden, die kompakt ausgebildet ist.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zumindest eine weitere elektromechanisches Wandlereinrichtung und zumindest eine weitere elektrische Verstärkereinrichtung zum Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals für die zumindest eine weitere elektromechanische Wandlereinrichtung aufweist. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von Verstärkereinrichtungen aufweisen, wobei jede der Ver- Stärkereinrichtungen dient, eine elektromechanisches
Wandlereinrichtung anzusteuern.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum
Trennen einer Emulsion und/oder Suspension gemäß dem Stand der Technik;
FIG 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trennen einer
Emulsion und/oder Suspension in einer schematischen Darstellung;
FIG 3 eine elektrische Filtereinrichtung für die Vorrichtung in einer ersten Ausführungsforrti;
FIG 4 eine Filtereinrichtung für die Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform; FIG 5 eine Vorrichtung, die eine Phasenregelschleife und ein Hydrophon aufweist;
FIG 6 eine Vorrichtung, die eine Phasenregelschleife und einen Richtkoppler aufweist; und
FIG 7 eine Vorrichtung bei der eine elektromechanisches
Wandlereinrichtung außerhalb einer Leiterplatte angeordnet ist.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar .
FIG 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension. Insbesondere kann die Vorrichtung 1 zum Trennen von Produktwasser in dessen Bestandteile verwendet werden. Produktwasser tritt beispielsweise im Bergbau, bei Bohrungen sowie der Öl- und Gasgewinnung auf. Das Produktwasser umfasst Wasser sowie Verschmutzungen, die als Partikel oder als Öltropfen vorliegen können. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Signalgenerator 2, mit dem eine elektrische Spannung bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann mit dem Signalgenerator 2 eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung, wie beispielsweise eine hochfrequente Wechselspannung, bereitgestellt werden. Die mit dem Signalgenerator 2 bereitgestellte elektrische Spannung weist die Sollfrequenz f soll auf .
Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine Verstärkereinrichtung 3, die elektrisch mit dem Signalgenerator 2 verbunden ist. Die Verstärkereinrichtung 3 ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Steuersignal aus der elektrischen Spannung bereitzustellen. Insbesondere kann die mit dem Steuergerät 2 bereitgestellte elektrische Spannung mit der Verstärkereinrichtung 3 verstärkt werden. Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine elektromechanische Wandlereinrichtung 4 auf, die dazu ausgebildet ist, das elektrische Steuersignal in ein Schallsignal im Ultraschallbereich zu wandeln. Die elektrome- chanische Wandlereinrichtung 4 kann beispielsweise ein piezoelektrisches Element oder einen entsprechenden Aktor umfas- sen. Die elektromechanische Wandlereinrichtung 4 ist innerhalb der Emulsion bzw. Suspension angeordnet, so dass die Ultraschallwellen in die Emulsion bzw. Suspension
eingekoppelt werden können. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich die Verschmutzung innerhalb des Produktwas- sers in bestimmten Bereichen sammeln und dort agglomerieren bzw. koaleszieren . In Folge dessen bilden sich größere Partikel aus, die beispielsweise als Agglomerate oder Tropfen vorliegen können. Diese können durch Verfahren wie Schwerkraftabsetzung oder durch Zentrifugen aus dem Produktwasser ent- fernt werden. Überdies umfasst die Vorrichtung 1 einen Richt- koppler 5, mit dem das elektrische Steuersignal erfasst und in ein Oszilloskop 6 übertragen werden kann.
Bei einer Vorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik werden als die Verstärkereinrichtung 3 üblicherweise Leistungsverstärker verwendet, die als Klasse-A-Verstäker oder als Klas- se-A/B-Verstärker ausgebildet sind. Wenn die Verstärkereinrichtung 3 derart ausgebildet ist bzw. in einem derartigen Betriebsmodus betrieben wird, weist diese üblicherweise einen Wirkungsgrad von 50 % (Klasse A) bzw. 64 % (Klasse B) auf. Dies bedeutet, dass ungefähr die Hälfte der elektrischen Leistung innerhalb der Verstärkereinrichtung 3 in Wärme umgewandelt wird, welche mittels entsprechender Kühleinrichtungen abgeführt werden muss.
Darüber hinaus werden bei Vorrichtungen 1 gemäß dem Stand der Technik zu elektrischen Verbindungen der einzelnen Komponenten üblicherweise Koaxialkabel 7 mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm verwendet.
FIG 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Trennen einer Emulsion und/oder Suspension. In der vorliegenden Darstellung ist der Signalgene- rator 2 nicht dargestellt. Hierbei ist die Verstärkereinrichtung 3 als Schaltverstärker ausgebildet. Beispielsweise kann die Verstärkereinrichtung 3 als Klasse-D-Verstärker, als Klasse-E-Verstärker oder als Klasse-F-Verstärker ausgebildet sein. Mit der Verstärkereinrichtung 3 kann als das elektrische Steuersignal 8 ein Rechtecksignal ausgegeben werden. Beim Erzeugen des Rechtecksignals entstehen üblicherweise Oberwellen, welche zu einer Anregung der elektromechanischen Wandlereinrichtung 4 führen können. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung eine elektrische Filtereinrichtung 9 zum Filtern des elektrischen Steuersignals 8 auf. Wie aus FIG 2 ersichtlich ist, kann die Filtereinrichtung 9 derart ausgebildet sein, dass es ein gefiltertes elektrisches Steuersignal 10 bereitstellt, das keine Oberwellen aufweist und das sinusför- mig ausgebildet ist.
Die elektrische Filtereinrichtung 9 kann beispielsweise als passives Filter ausgebildet sein. Ein erstes Ausführungsbeispiel für die elektrische Filtereinrichtung 9 ist in FIG 3 dargestellt. Hierbei weist die Filtereinrichtung 9 eine in
Serie angeordnete Spule LI auf, durch welche der elektrische Strom zu der elektromechanischen Wandlereinrichtung 4 fließt. Darüber hinaus weist die elektrische Filtereinrichtung 9 einen zu der Spule LI parallel geschalteten Kondensator Cl auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Filtereinrichtung 9 als Tiefpass ausgebildet.
FIG 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der elektrischen Filtereinrichtung 9. Hierbei ist die elektrische Filtereinrich- tung 9 als Bandpassfilter ausgebildet. Die Filtereinrichtung 9 gemäß FIG 3 ist nach Art eines passiven Pi- oder T-Filters ausgebildet und weist die Spule L2 und den Kondensator C2 sowie die Spule L4 und den Kondensator C4 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Darüber hinaus weist die Filterein- richtung 9 die Spule L3 und den Kondensator C3 auf, der parallel zur Spule L2 , dem Kondensator C2 sowie der Spule L4 und dem Kondensator C4 geschaltet sind. FIG 3 zeigt eine Vorrichtung 1 in einer weiteren Ausführungsform. In dieser Darstellung ist die Filtereinrichtung 9 nicht dargestellt. Hierbei weist die Vorrichtung eine Phasenregelschleife 11 auf. Die Regelschleife 11 umfasst einen
Phasendiskrimator 12, für den ein Offset für die Phase 4>of f Set der elektrischen Spannung vorgegeben werden kann. Darüber hinaus weist die Phasenregelschleife 11 ein Verstärkerelement 13 auf. Zudem umfasst die Vorrichtung 1 ein Hydrophon 14, mit dem die in die Emulsion und/oder Suspension eingekoppelten Ultraschallwellen erfasst werden können. In Abhängigkeit von dem Signal des Hydrophons 14 kann mittels des
Phasendiskrimators 12 ein Frequenzunterschied Af ermittelt werden, der in einem Regelkreis von der Sollfrequenz fSoii abgezogen wird. Auf diese Weise kann die Frequenz und/oder Pha- se der mit dem Signalgenerator 2 bereitgestellte elektrischen Spannung genau angepasst werden. Der Signalgenerator 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als spannungsgesteuerter Oszillator (voltage-controlled oscillator, VCO) ausgebildet. FIG 6 zeigt die Vorrichtung 1 in einer weiteren Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 gemäß FIG 6 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 gemäß FIG 5 dadurch, dass anstelle des Hydrophons ein Richtkoppler 5 vorgesehen ist, mit dem das elektrische Steuersignal 8 bzw. das gefilterte elektrische Steuer- signal 9 erfasst werden kann. In Abhängigkeit von dem erfass- ten Signal kann die Phase und/oder die Frequenz der mit dem Signalgenerator 2 bereitgestellten elektrischen Spannung angepasst werden. Bei den Vorrichtungen gemäß FIG 5 und FIG 6 können alle gezeigten Bauelemente auf einer gemeinsamen Leiterplatte 15 bzw. Platine angeordnet sein. Dabei können alle gezeigten Komponenten auch in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Darüber hinaus ist es denkbar, dass Elemente, mit denen die Komponenten, insbesondere die Verstärkereinrichtung 3, mit Gleichspannung versorgt werden, ebenfalls auf dieser Leiterplatte 15 angeordnet sind. Somit kann eine besonders Bau- raumsparende und kostengünstige Vorrichtung 1 bereitgestellt werden .
FIG 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1, die sich von der Vorrichtung 1 gemäß FIG 6 dadurch unterscheidet, dass die elektromechanische Wandlereinrichtung 4 außerhalb der Leiterplatte 15 angeordnet ist. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise verwendet werden, wenn mehrere elektromechanische Wandlereinrichtungen 4 betrieben werden sollen. In diesem Fall kann auf der jeweiligen Leiterplatte
15 die Steuerschaltung für die Vorrichtung 1 vorgesehen sein, die jeweils mit einer elektromechanischen Wandlereinrichtung 4 verbunden werden kann. Durch die oben beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Trennen einer Emulsion und/oder Suspension kann ein energieeffizienter Betrieb der Vorrichtung 1 bereitgestellt werden. Zudem kann eine Vorrichtung 1 bereitgestellt werden, die einen geringen Bauraum aufweist. Des Weiteren kann auch eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Verstärkereinrichtung 3 verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Trennen einer Emulsion und/oder einer Suspension mit
- einem Signalgenerator (2) zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung,
- einer Verstärkereinrichtung (3) zum Erzeugen eines elektrischen Steuersignals (8) aus der elektrischen Spannung und
- einer elektromechanischen Wandlereinrichtung (4) zum Erzeu- gen eines Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dem elektrischen Steuersignals (8) , wobei
- die elektromechanischen Wandlereinrichtung (4) dazu ausgebildet ist, das Ultraschallsignal in die Emulsion und/oder die Suspension einzukoppeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Verstärkereinrichtung (3) als Schaltverstärker ausgebildet ist und
- die Vorrichtung (1) eine elektrische Filtereinrichtung (9) zum Filtern des elektrischen Steuersignals aufweist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, als das elektrische Steuersignal (8) ein Rechtecksignal zu erzeugen .
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Filtereinrichtung (9) dazu ausgebildet ist, Oberwellen mit einer vorbestimmten Frequenz aus dem elektrischen Steuersignal (8) zu filtern.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Filtereinrichtung (9) einen Tiefpassfilter und/oder einen Bandpassfilter umfasst .
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (2) dazu ausgebildet ist, eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung bereitzustellen und die Vorrichtung (1) eine Phasen- regelschleife (11) zum Einstellen einer Phase und/oder einer Frequenz der zeitlich veränderlichen elektrischen Spannung umfasst .
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Hydrophon (14) zum Erfassen des in die Emulsion und/oder der Suspension eingekoppelten Ultraschallsignals aufweist und die Phasenregelschleife (11) dazu ausgebildet ist, die Phase und/oder die Frequenz der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von dem erfassten Ultraschall - signal einzustellen.
7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Richtkoppler (5) zum Erfassen des elektrischen Steuersignals (8) aufweist und die Phasenregel- schleife (11) dazu ausgebildet ist, die Phase und/oder die Frequenz der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von dem erfassten elektrischen Steuersignals einzustellen.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (5) und die elektrische Filtereinrichtung (9) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinrichtung (3) und die elektromechanische Wandlereinrichtung (4) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (2), die Verstärkereinrichtung (3), die elektromechanische
Wandlereinrichtung (4) und die elektrische Filtereinrichtung (9) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (15) angeordnet sind.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest eine weiteres elektromechanische Wandlereinrichtung und zumindest eine weitere elektrische Verstärkereinrichtung zum Bereitstellen eines elektrischen Steuersignals für die zumindest eine weitere elektromechanische Wandlereinrichtung aufweist.
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