DE3016323C3 - Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit mit einem elektronischen Schaltkreis und einem Umformer, durch den der Flüssigkeit Ultraschallimpulse zuführbar sind, um mit Hilfe des elektronischen Schaltkreises die akustische Impedanz der Flüssigkeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit zu bestimmen.

Die akustische Impedanz einer Flüssigkeit ist das Produkt der Dichte der Flüssigkeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle in der Flüssigkeit. Dieser Zusammenhang wird zur Dichtebestimmung in Geräten ausgenutzt, in denen man mit einem Umformer, beispielsweise einer piezoelektrischen Keramikscheibe, über eine bekannte Wegstrecke einen Ultraschallimpuls durch die Flüssigkeit sendet.

Bei bekannten Meßgeräten dieser Art ist diese Wegstrecke der Abstand zweier Wände einer Meßkammer oder das Zweifache dieses Abstands, wenn derselbe Umformer als Sender und als Empfänger der Ultraschallimpulse benutzt wird. Diese Geräte, die beispielsweise aus den US-Patentschriften 30 28 749 und 29 26 522 bekannt sind, haben einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der gattungsgemäßen Art anzugeben, dessen Aufbau einfach und dennoch stabil ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Umformer in einer Meßsonde angebracht ist, die einen rohrförmigen Halter aufweist, in dem ein Bezugskörper am Umformer anliegend und eine Reflexionsscheibe auf der vom Umformer abgewandten Seite des Körpers in einem Abstand von diesem angeordnet sind, daß der Halter zwischen dem Bezugskörper und der Reflexionsscheibe in seiner Wand mindestens eine öffnung aufweist und daß sich am Bezugskörper mindestens ein umlaufender Einschnitt befindet, dessen dem Umformer zugewandte Fläche parallel zur Grenzfläche zwischen Umformer und Bezugskörper verläuft.

Dieser Aufbau ergibt ein einfaches und mechanisch stabiles Meßgerät, das leicht zu transportieren ist, da die Meßsonde beispielsweise die Größe eines gewöhnlichen Kugelschreibers haben kann. Mit Hilfe des elektronischen Schaltkreises kann die Dichte einer Flüssigkeit im Raum zwischen dem Bezugskörper und der Reflexionsscheibe durch Messung der Amplitude des an der

κι Grenzfläche zwischen Bezugskörper und Flüssigkeit reflektierten Schalls und der Laufzeit der Schallwelle in der Flüssigkeit bestimmt werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, die einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße

π Sonde zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit darstellt, näher erläutert.

Die dargestellte Sonde hat eine piezoelektrische Keramikscheibe 1, einen Bezugskörper 2 und eine Reflexionsscheibe 3, die in einem rohrförmigen Halter 4

jit angebracht sind. Zwischen dem Bezugskörper 2 und der Reflexionsscheibe 3 ist der rohrförmige Halter 4 so aufgeschlitzt, daß in der Rohrwand mindestens eine Öffnung 5 ist.

Die Keramikscheibe 1 ist an einen nicht dargestellten

r> elektronischen Schaltkreis angeschlossen, der der Scheibe elektrische Impulse zuführt. Dabei werden durch den angrenzenden Bezugskörper 2 Ultraschallwellen geleitet, die den offenen Raum zwischen Körper 2 und Reflexionsscheibe 3 durchlaufen, reflektiert

in werden und wieder auf die Keramikscheibe 1 treffen. Die reflektierten Schallsignale werden hier in elektrische Signale umgeformt, die dem elektronischen Schaltkreis zugeführt werden.

Die Keramikscheibe 1 wirkt mithin als Sender und

i'i Empfänger von Schallimpulsen.

Am Bezugskörper 2 befindet sich ein umlaufender Einschnitt, dessen der Keramikscheibe 1 abgewandte Fläche 6 parallel zur Grenzfläche zwischen Scheibe 1 und Körper 2 verläuft, d. h. senkrecht zur Ausbreitungs-

■)o richtung des Schalls im Körper 2 steht.

Wird der Keramikscheibe 1 ein kurzer elektrischer Impuls zugeführt, dann wird eine Ultraschallwelle gesendet, die sich durch das Bezugsmaterial ausbreitet. Ein Teil des Schalls wird an der Fläche 6 totalreflektiert,

4ϊ wenn sich auf der anderen Seite der Fläche 6 ein Material, beispielsweise Luft, befindet, dessen akustische Impedanz wesentlich geringer als die des Bezugsmaterials ist, das beispielsweise Glas, Aluminium oder rostfreier Stahl sein kann. Die Amplitude Ao des

■><> reflektierten Echos ist zur Amplitude der gesendeten Schallwelle proportional. Der Rest der gesendeten Schallwelle durchläuft das Bezugsmaterial 2 und trifft auf die Grenzfläche zwischen dem Bezugskörper 2 und dem Medium, das durch die Öffnung 5 in den Raum

5) zwischen Körper 2 und Reflexionsscheibe 3 eingedrungen ist. Ist die Meßsonde in eine Flüssigkeit getaucht, so ist es diese Flüssigkeit, die an die Endfläche des Bezugskörpers 2 angrenzt.
Von dieser Endfläche wird eine Schallwelle reflek-

6» tiert, förderen Amplitude A\ gilt:

A₁ = A₁

{p,c_r

wobei Λ, die Amplitude der Eingangs-Schallwelle ist, g_r und ρ_ν die Dichten des Bezugskörpers und der Flüssigkeit und cv und C₁. die entsprechenden Schallgeschwindigkeiten sind.

Nach Gleichung (1) ist die Dichte der Flüssigkeit

wobei Z_r die bekannte akustische Impedanz UrC_r des Bezugskörpers 2 ist.

Der an der Grenzfläche zwischen Bezugskörper 2 und Flüssigkeit nicht reflektierte Teil der Schallwelle breitet sich in der Flüssigkeit aus und wird von der Reflexionsscheibe 3 zur Keramikscheibe 1 reflektiert. Seine Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ist

c; = ■

2 ■ a
T,

wobei a der Abstand des Bezugskörpers 2 von der Reflexionsscheibe 3 und T, die Hin-Rück-Laufzeit in der Flüssigkeit bzw. der Zeitabstand d<*r reflektierten Schallwellenteile ist.

Mit Hilfe der Amplitude An des an der Grenzfläche 6 reflektierten Schalls kann der elektronische Schaltkreis die Sendeamplitude so regeln, daß A, unabhängig von etwaigen Änderungen der temperaturabhängigen Größen der piezoelektrischen Keramikscheibe 1 konstant bleibt. Aus den Gleichungen (2) und (3) läßt sich danach die Dichte der Flüssigkeit durch Messung des Amplitudenwertes A\ oder der hierzu proportionalen Spannung Ei und der Laufzeit Γ, bestimmen, wobei

/Λ =

und E₁ = const · A,

ist.

Da es elektronisch schwierig sein kann, bei einer

in analogen Multiplikation und Division von Spannungen eine hohe Genauigkeit zu erzielen, wird Gleichung (4) in

IK =

-> ■

■ z„·

(Z, + Z„)( ^-^- E, + E, Zr + Zn

2 ■ a

(E, + E₁)

umgeformt, wobei Z_n die akustische Impedanz einer Normalflüssigkeit ist, zweckmäßigerweise Wasser bei 20⁰C. Wird die Sonde in Wasser angebracht, so ist das zweite Glied der Gleichung (5) Null, und die Dichte wird durch eine Zeitmessung bestimmt. Da die akustische Impedanz der meisten Flüssigkeiten in der gleichen Größenordnung wie die von Wasser liegt, ist das letzte Glied der Gleichung (5) vernachlässigbar klein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit mit einem elektronischen Schaltkreis und einem Umformer, durch den der Flüssigkeit Ultraschallimpulse zuführbar sind, um mit Hilfe des elektronischen Schaltkreises die akustische Impedanz der Flüssigkeit und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (1) in einer Meßsonde angebracht ist, die einen rohrförmigen Halter (4) aufweist, in dem ein Bezugskörper (2) am Umformer anliegend und eine Reflexionsscheibe (3) auf der vom Umformer (1) abgewandten Seite des Körpers (2) in einem Abstand von diesem angeordnet sind, daß tier Halter (4) zwischen dem Bezugstcörper (2) und der Reflcxionsscheibe (3) in seiner Wand mindestens eine öffnung (5) aufweist und daß sich am Bezugskörper (2) mindestens ein umlaufender Einschnitt befindet, dessen dem Umformer (1) zugewandte Fläche (6) parallel zur Grenzfläche zwischen Umformer (1) und Bezugskörper (2) verläuft.