DE19535848C1 - Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vor­ richtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien.

Es sind eine Mehrzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der akustischen Impedanz von Flüssigkei­ ten bekannt. Beispielsweise wird eine Ultraschall­ dichtemessung in der Veröffentlichung "Ultrasonic density measurement for process control", J.M. Hale, Ultrasonics 1988, Vol. 26, November, S. 356 ff. be­ schrieben. Bei dieser Ultraschalldichtemessung wird ein Schallsignal mit der Amplitude A1 aus einem Schallwandler mit einer bekannten akustischen Impe­ danz Z1 in die zu untersuchende Substanz der akusti­ schen Impedanz Zx gestrahlt und von einem weiteren Schallwandler mit bekannter akustischer Impedanz Z2 empfangen. Die Amplitude des Empfangssignals ist ab­ hängig von A1, Z1, Zx, Z2 und der Absorption der Flüssigkeit. Aus diesem Aufbau sind eine Reihe von Problemen abzuleiten, die den Sensor für den Einsatz in der Prozeßmeßtechnik ungeeignet erscheinen lassen. Die Hauptquelle von Meßfehlern ist die unbekannte Schallabsorption, die einen weitaus größeren Einfluß auf das Meßergebnis haben kann als Zx. Ein weiteres Problem ist die beispielsweise durch thermische Drift hervorgerufene Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers. Sie führt dazu, daß die Absorption A1 nicht nur von der Amplitude der elektrischen Anregung abhängt und somit nur unzulänglich bekannt ist. Diese Fehlerquellen lassen bestenfalls einen Einsatz im Labor bei konstanten Temperaturen möglich erscheinen. Wegen mangelnder Langzeitstabilität infolge fehlender Referenz sowie des Einflusses der Schallabsorption der Flüssigkeit ist dieses Verfahren für die Prozeß­ meßtechnik ungeeignet.

Eine andere Impedanzmessung ist in der Veröffentli­ chung "Ultrasonic pulse echo reflectometer" von D.J. McClements und P. Fairley, Ultrasonics 1991, Vol. 29, Januar, S. 58 ff, offenbart, wobei ein Schallsignal mit der Amplitude Ai in eine Vorlaufstrecke mit der bekannten akustischen Impedanz Z1 gestrahlt wird. Die Amplitude A1 des an der Grenze Vorlaufstrecke-Flüs­ sigkeit reflektierten Signals ist von der akustischen Impedanz der Flüssigkeit abhängig. Die Amplitude Ai läßt sich nur durch Kalibrierung der Apparatur be­ stimmen. Die durch thermische Drift hervorgerufene Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers führt zur Veränderung des Übertragungsverhaltens des Schallwandlers. Daher ist Ai nicht nur von der Ampli­ tude der elektrischen Anregung abhängig und somit nur unzulänglich bekannt. Diese Fehlerquelle läßt sich nur durch exakte Temperierung im Labor umgehen. Wegen fehlender Referenz ist dieses Verfahren nicht lang­ zeitstabil und damit für die Prozeßmeßtechnik unge­ eignet.

Aus der DE-OS 30 16 323 ist ein Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit bekannt, bei dem zur Impedanzmessung in eine Vorlaufstrecke mit be­ kannter akustischer Impedanz Z1 ein Schallsignal ge­ sendet wird. Ein Teil des Signals wird an einer in der Vorlaufstrecke angebrachten umlaufenden Rille mit der Amplitude A0 reflektiert. Der restliche Teil des Schallsignals wird an der Grenzfläche Vorlaufstrecke- Flüssigkeit mit der Amplitude A1 reflektiert. A0 ist ein Maß für die in die Vorlaufstrecke eingetragene Schallenergie, A1 ist ein Maß für die akustische Im­ pedanz der Flüssigkeit. Zwar kann das Übertragungs­ verhalten der Keramik bei diesem Meßverfahren nicht die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, jedoch führen die an den Kanten des Schallwandlers und die an der um­ laufenden Rille entstehenden Beugungswellen infolge Mehrfachreflexion zu einer erheblichen Verschlechte­ rung des Signal-Rauschverhältnisses. Die durch das Meßprinzip bedingte Rille, welche die Fläche verklei­ nert, innerhalb der sich der Schall ausbreitet, führt zu einer schlechten Ausnutzung des erzeugten Schall­ signals und somit zu kleinen Amplituden. Diese Tatsa­ che sowie die durch die Vorlaufstrecke verursachte einseitige Beladung der Keramik mit großen Signalaus­ klingzeiten führt ebenfalls zu einer Verschlechterung des Signal-Rauschverhältnisses und damit zu einer begrenzten Meßgenauigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Me­ dien zu schaffen, die genaue Ergebnisse sowie eine gute Langzeit- und Temperaturstabilität gewährlei­ stet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Erfindungsgemäß werden von einem Schallwandler Schallsignale auf jeder Seite des Schallwandlers in je eine Vorlaufstrecke aus bekannten Materialien, vorzugsweise aus gleichen Materialien, eingestrahlt. Die an den Enden der Vorlaufstrecken an der Grenzflä­ che zwischen flüssigem Medium bzw. Referenzmedium reflektierten Signale entsprechen dem Referenzsignal einerseits und dem durch die akustische Impedanz der zu messenden Flüssigkeit bestimmten Meßsignal ande­ rerseits. Die Schallausbreitung innerhalb der Vor­ laufstrecken wird nicht gestört, so daß durch die Beugungswellen keinerlei Fehler auftreten können. Durch die Referenz werden die Langzeit- und Tempera­ turstabilität gewährleistet.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich. Dadurch, daß das Referenzmedium in seinen akustischen Eigenschaften so gewählt wird, daß es soweit wie möglich an die akustischen Eigenschaf­ ten der zu messenden Flüssigkeit angepaßt ist, kann der Meßbereich aufgeweitet werden und die Meßgenau­ igkeit verbessert werden.

Durch die genaue Messung der akustischen Impedanz sind eine Reihe von Anwendungsvorteilen gegeben, bei­ spielsweise kann durch die Erfassung der "dritten akustischen Stoffkenngröße - akustische Impedanz" eine Stoffcharakterisierung vorgenommen werden. Die akustische Impedanz kann weiterhin zum Beispiel zur Konzentrationsmessung in flüssigen Mehrstoffsystemen eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet erstmalig die zuverlässige und vom Ab­ sorptionsverhalten der Flüssigkeit unabhängige Be­ stimmung der akustischen Impedanz. Somit wird die erreichbare Genauigkeit akustischer Meßsysteme zur Bestimmung der Stoffkenngrößen akustische Impedanz und Absorption erheblich verbessert. Die Vorteile, akustische Stoffkenngrößen zur Konzentrationsmessung zu nutzen, liegen insbesondere in dem fehlenden di­ rekten Medienkontakt und der Realisierbarkeit von on­ line-Meßmitteln zur Überwachung technologischer Pro­ zesse. Darüber hinaus besteht bei zusätzlicher Erfas­ sung der Schallgeschwindigkeit der zu untersuchenden Flüssigkeit die Möglichkeit, direkt und kontinuier­ lich deren Dichte unter industriemäßigen Bedingungen zu bestimmen. Außerdem kann bei strömenden Medien die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren zur Massenstrommessung eingesetzt werden, wenn beidseitig einer Strömungsstrecke je eine Schallwandleranordnung vorgesehen wird, von denen zumindest eine entspre­ chend der Erfindung ausgebildet ist und die Laufzei­ ten von abgestrahlten Schallimpulsen in beide Rich­ tungen gemessen werden, woraus unter bekannten Be­ rechnungsbedingungen der Massenfluß bestimmt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bildet einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weist einen Schallwandler 1 auf, der vorzugsweise als Piezokeramik ausgebildet ist. Beidseitig des Schallwandlers 1 schließen sich über die jeweilige gesamte Abstrahlfläche des Schallwandlers 1 eine er­ ste Vorlaufstrecke 2 und eine zweite Vorlaufstrecke 3 an. Die Vorlaufstrecken 2, 3 bestehen jeweils aus einem Material mit bekannter Impedanz, vorzugsweise aus demselben Material, das beispielsweise Kunststoff oder Stahl sein kann. Die zu messende Flüssigkeit 4 schließt sich an die erste Vorlaufstrecke 2 an und bildet eine erste Grenzfläche 7. An die zweite Vor­ laufstrecke 3 schließt sich ein Referenzmedium 5 mit bekannten akustischen Eigenschaften, zum Beispiel ein Gas, an und es wird eine zweite Grenzfläche 8 zwi­ schen zweiter Vorlaufstrecke 2 und Referenzmedium 5 gebildet, deren Reflexionsfaktor bekannt ist. Um den Meßbereich empfindlicher zu machen, wird das Refe­ renzmedium 5 hinsichtlich seiner akustischen Eigen­ schaften so ausgewählt, daß sie im wesentlichen den akustischen Eigenschaften der zu messenden Flüssig­ keit 4 entsprechen.

Der Schallwandler 1 ist an eine nicht dargestellte Steuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, die einerseits die Ansteuerung des Schallwandlers zum Aussenden eines Schallimpulses vornimmt und anderer­ seits die von dem Schallwandler 1 aufgrund der re­ flektierten Schallwellen empfangenen elektrischen Signale auswertet und die akustische Impedanz be­ stimmt. Die zweite Vorlaufstrecke 3 ist etwas länger als die erste Vorlaufstrecke 2, wodurch sich bei Re­ flexion der Schallsignale an den jeweiligen Grenzflä­ chen aufeinanderfolgende Empfangssignale ergeben, die einfacher ausgewertet werden können. Vorzugsweise werden die Signale von dem Schallwandler 1 in einem vorgegebenen Zeitfenster erfaßt.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung ist wie folgt. Von dem Schallwandler 1 wird an die erste und zweite Vorlaufstrecke 2, 3 ein Schallimpuls abgegeben, der sich in dem Koppelmedium der Vorlaufstrecken fortsetzt und jeweils an den Grenzflächen 7 und 8 reflektiert wird. In zeitlicher Trennung wird entsprechend den Laufzeiten in den Vor­ laufstrecken 2, 3 das von der Grenzfläche 7 reflek­ tierte Schallsignal und anschließend das von der Grenzfläche 8 reflektierte Schallsignal empfangen. Da der Reflexionsfaktor an der zweiten Grenzfläche 8, das heißt die akustischen Impedanzen der Vorlauf­ strecke 3 und des Referenzmediums 5 bekannt ist, ist die abgestrahlte Amplitude des Schallimpulses propor­ tional zu dem Produkt aus Reflexionsfaktor an der Grenzfläche 8 und der Amplitude des durch Reflexion an der Grenzfläche 8 hervorgerufenen Referenzsignals, das an die Auswerteeinrichtung von dem Schallwandler 1 weitergegeben wird. Der Reflexionsfaktor an der Grenzfläche 7, der durch die akustischen Impedanzen der Vorlaufstrecke 2 und des flüssigen Mediums 4 vor­ gegeben ist, ist proportional zu der Amplitude des durch die Reflexion des Schallimpulses an der ersten Grenzfläche 7 hervorgerufenen Meßsignals zu der Am­ plitude des abgestrahlten Signals. Somit kann aus dem Sendesignal, dem Referenzsignal und dem Meßsignal in der Auswerteeinrichtung die Impedanz des flüssigen Mediums 4 bestimmt werden. Bei gleichem Material der Vorlaufstrecken 2, 3 wird durch die beidseitig gleichartige Kopplung der Piezokeramik an die Vor­ laufstrecken eine identische akustische Signalein­ kopplung zu beiden Seiten der Vorlaufstrecken gewähr­ leistet, so daß die direkte Verhältnisbildung der an den Grenzschichten 7 und 8 reflektierten Signale er­ folgen kann. Dieses Signalverhältnis ist idealerweise unabhängig von der Sendesignalamplitude.

In Fig. 1 schließt sich an die Strecke des flüssigen Mediums 4 ein zweiter einfach oder entsprechend der oben erwähnten Schallwandleranordnung mehrschichtig aufgebauter Schallwandler 6 an, mit dem die nach Pas­ sieren der Vorlaufstrecke 2 an der ersten Grenzfläche 7 nicht reflektierten Schallsignale empfangen werden. Bei Kenntnis der Längenverhältnisse des Schallweges sowie der Schallaufzeit unter Einbeziehung der be­ stimmten akustischen Impedanz der Flüssigkeit 4 kann die Dichte der Flüssigkeit 4 in der mit dem zweiten Schallwandler 6 verbundenen Auswerteeinrichtung be­ rechnet werden. Auch kann die akustische Absorption der untersuchenden Flüssigkeit 4 aus der Amplituden­ information der zu untersuchenden Flüssigkeit be­ stimmt werden.

Anstelle des Schallwandlers 6 kann auch ein Reflektor bekannter akustischer Eigenschaften vorgesehen wer­ den, wobei das am Reflektor reflektierte Schallsignal von dem Schallwandler 1 empfangen wird und gleich­ falls in bekannter Weise zur Bestimmung der Dichte und/oder der akustischen Absorption der Flüssigkeit 4 benutzt werden kann.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Messung des Mas­ sendurchflusses vorgesehen, bei der eine Anordnung nach Fig. 1 als Schallsender und -empfänger verwendet wird. In Fig. 2 ist mit 10 ein Strömungskanal darge­ stellt, für den der Massendurchfluß bestimmt werden soll, wobei die akustische Impedanz der strömenden Flüssigkeit nicht bekannt ist. Parallel zur Strö­ mungsrichtung der Flüssigkeit ist an dem einen Ende des Strömungskanals 10 eine Sensoranordnung 11 gemäß Fig. 1 angeordnet und an dem anderen Ende des Strö­ mungskanals 10, der Sensoranordnung 11 gegenüberlie­ gend, ist ein Schallwandler 12 vorgesehen, der einen einfachen oder entsprechend der Erfindung mehrschich­ tigen Aufbau aufweisen kann. Weiterhin ist eine Aus­ werteeinrichtung 13 vorgesehen, die die Signale von der Sensoranordnung 11 und dem Schallwandler 12 emp­ fängt. Der Strömungsquerschnitt sowie die Länge des Strömungskanals 10 zwischen den zwei Sensoren 11, 12 ist bekannt.

Wie oben beschrieben, kann mittels der Sensoranord­ nung 11 und der Auswerteschaltung 13 die akustische Impedanz der in dem Strömungskanal 10 strömenden Flüssigkeit bestimmt werden. Die Impedanz der Flüs­ sigkeit ist gleich ihrer Dichte mal der Schallge­ schwindigkeit. Das von der Sensoranordnung 11 ausge­ strahlte Schallsignal wird von dem Schallwandler 12 empfangen und es kann die Laufzeit des Schallimpulses über die Länge des Strömungskanals festgestellt wer­ den, die proportional zu der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit plus der Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise in Strömungsrichtung ist. In entspre­ chender Weise wird vom Schallwandler 12 ein Signal abgestrahlt, das von der Sensoranordnung 11 empfangen wird, und es wird eine zweite Laufzeit bestimmt, die proportional zu der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit gegen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit ist. Aus den Laufzeiten kann einerseits die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit bestimmt werden, so daß die Dichte berechnet werden kann, und andererseits kann die Strömungsgeschwindigkeit aus der Differenz der Lauf­ zeiten berechnet werden, wodurch unter Berücksichti­ gung der Querschnittsabmessungen der Volumenstrom bestimmt werden kann. Der Massenstrom ist das Produkt aus Volumenstrom und der vorherbestimmten Dichte und in der vorgegebenen Weise wird somit der Massendurch­ fluß errechnet.

Selbstverständlich kann eine andere Anordnung der Schallwandler 11, 12 zu dem Strömungskanal 10 bei­ spielsweise schräg zur Strömungsrichtung der Flüssig­ keit vorgesehen werden.

Aus den Amplituden der Sensoranordnung 11 bzw. des Schallwandlers 12 kann, wie oben beschrieben, die Absorption der Flüssigkeit oder deren Änderung fest­ gestellt werden. Ein Problem bei Massenstrom-Meßgerä­ ten liegt darin, daß nicht genau gemessen werden kann, wenn beispielsweise durch zu schnelle Strö­ mungsgeschwindigkeit der Gasanteil in der Flüssigkeit zu hoch wird. Die Auswerteeinrichtung kann daher aus dem Absorptionsgrad den Gasanteil feststellen und gegebenenfalls eine Korrektur bei der Messung des Massendurchflusses anbringen oder ein Warnsignal ab­ geben, wenn eine vorgegebene Meßgenauigkeit durch einen zu hohen Gasanteil überschritten wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz von flüssigen Medien mit
einer nach zwei Seiten wirksamen Schallwandleran­ ordnung (1, 11) zum Aussenden und Empfangen von Schallsignalen,
zwei akustischen Vorlaufstrecken (2, 3) mit jeweils bekannter akustischer Impedanz, deren erste (2) mit dem flüssigen Medium (4) eine erste Schallwel­ len reflektierende Grenzfläche bildet und sich an die erste Seite der Schallwandleranordnung (1, 11) anschließt und deren zweite (3) mit einem Refe­ renzmedium (5) in Verbindung steht, mit diesem eine zweite Grenzfläche bildet und sich an die zweite Seite der Schallwandleranordnung (1, 11) anschließt, wobei mit der Schallwandleranordnung in beide Vorlaufstrecken (2, 3) je ein Schallsignal eingestrahlt wird,
das an der ersten Grenzfläche reflektierte Schall­ signal in ein elektrisches Meßsignal und das an der zweiten Grenzfläche reflektierte Schallsignal in ein elektrisches Referenzsignal gewandelt wer­ den und
das Meßsignal sowie das Referenzsignal einer Aus­ werteschaltung zugeführt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorlaufstrecken (2, 3) unterschiedlich lang sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Referenzmedium (5) gasförmig ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Referenzmedium (5) an das akustische Verhalten des flüssigen Mediums (4) angepaßt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecken (2, 3) aus gleichen Materialien mit gleicher aku­ stischer Impedanz bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß dem flüssigem Medium (4) ein Reflektor bzw. ein von der Schallwandleranord­ nung getrennter Schallwandler (6) nachgeschaltet ist, wobei das an dem Reflektor reflektierte und von der Schallwandleranordnung (1) empfangene Schallsignal bzw. das vom Schallwandler (6) emp­ fangene Schallsignal der Auswerteschaltung zuge­ führt wird und zur Bestimmung der Dichte und/oder der Absorption des flüssigen Mediums (4) dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu­ sätzlich zur Massenstrommessung, wobei
eine weitere Schallwandleranordnung (12) schräg oder parallel zur Strömungsrichtung des flüssigen Mediums angeordnet ist und
die Auswerteschaltung (13) zur Berechnung des Mas­ senstroms aus der akustischen Impedanz des flüssi­ gen Mediums (4),
den Laufzeiten der in das flüssige Medium abge­ strahlten Schallimpulse in und gegen die Strö­ mungsrichtung des flüssigen Mediums, die mit Hilfe der Schallwandleranordnung (11) und der weiteren Schallwandleranordnung (12) erfaßt sind, sowie aus den geometrischen Abmessungen ausgelegt ist.