DE10232233C1 - Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Dichte eines FluidsInfo
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Abstract
Zur Messung der Dichte eines Fluids werden die Schallimpedanz und die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Die Schallimpedanz wird mit einem Referenzkörper (2) an einer Messwand (12) ermittelt. Ein erster piezoelektrischer Ultraschallwandler (7) ist an dem einen Ende eines Referenzpfades (10) im Referenzkörper (2) und eines Messpfades (11) in der Messwand (12) und ein zweiter Wandler (8) an dem anderen Ende des Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) schräg angeordnet, sodass der Referenzpfad (10) durch den Weg des an der Grenzfläche (2)/(12), (2)/Luft und (2)//12 reflektierten Schalls und der Messpfad (11) durch den Weg des an der Grenzfläche (2)/(12) gebrochenen, an der Grenzfläche (12)/(4) reflektierten und an der Grenzfläche (12)/(2) gebrochenen Schalls in der Messwand (12) gebildet wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung
der Dichte eines Fluids, also einer Flüssigkeit oder eines
Gases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist bereits bekannt (DE 299 16 826 U1
sowie Püttmer, A., et. al. "Ultrasonic Density Sensor
for Liquides", IEEE Transactions on Ultrasonics,
Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 47, No. 1,
January 2000, Seiten 85-92).
Dabei ist der piezoelektrische Wandler zwischen zwei
Referenzkörpern eingeschlossen. Zur Bildung der
Referenzamplitude trifft der Schall in dem einen
Referenzkörper senkrecht auf die Grenzfläche zur Luft auf,
wo er nahezu vollständig reflektiert wird. In dem anderen
Referenzkörper trifft der Strahl senkrecht auf die
Grenzfläche Referenzkörper/Fluid, wodurch er teilweise
reflektiert und teilweise durchgelassen wird. Aus dem
Verhältnis der an der Grenzfläche erster
Referenzkörper/Luft reflektierten Amplitude und der an der
Grenzfläche zweiter Referenzkörper/Fluid reflektierten
Amplitude lässt sich bei Kenntnis der Schallimpedanz, also
des Schallwellenwiderstand des Referenzwerkstoffes (Z1),
die Schallimpedanz (Z2) des Fluids und daraus die Dichte
(ρ) des Fluids nach der Formel (I) errechnen
R stellt darin den Reflexionsfaktor dar, d. h. das
Verhältnis zwischen dem Schalldruck der reflektierten Welle
und dem Druck der einfallenden Welle.
(vergleiche das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seiten 36 und 37)
(vergleiche das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seiten 36 und 37)
Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (c) der
Flüssigkeit erfolgt mit einem piezoelektrischen
Empfangsschallwandler, der auf der anderen Seite des Fluids
angeordnet ist, durch Messung der Laufzeit des
Ultraschallimpulses zwischen Sende- und
Empfangsschallwandler.
Aus der Kenntnis der Schallimpedanz und der
Schallgeschwindigkeit des Fluids lässt sich die Dichte nach
folgender Formel errechnen:
ρ = Z/c (II)
Mit der bekannten Vorrichtung werden absolute Genauigkeiten
von unter einem Prozent erreicht. Nachteilig ist jedoch,
dass als Referenzmaterial Quarzglas für einen akzeptablen
Messeffekt verwendet werden muss. Durch die Verwendung von
Glas kann jedoch z. B. die Dichte abrasiver oder
alkalischer Flüssigkeiten nicht bestimmt werden, da sie die
sehr empfindliche Grenzfläche Glas/Wasser zerstören würden.
Je niedriger das Impedanzverhältnis des Referenzmaterials
zum Fluid ist, um so größer ist nämlich der Messeffekt.
D. h., die Veränderung des Reflexionsfaktors in Abhängigkeit
zur Impedanzänderung des Fluids wird größer. Bei einem
Referenzwerkstoff, wie Stahl, ist der Messeffekt für eine
senkrechte Messung sehr schwach.
Während Stahl eine Schallimpedanz für longitudinale
Schallwellen von 46 × 106 kg/m2s hat, beträgt die
Schallimpedanz von Glas 15,3 × 106 kg/m2s. Das heißt,
während bei Stahl 93% des Schalls reflektiert werden, sind
es bei Glas lediglich etwa 80%, d. h. 20% des Schalls
gehen in das Fluid. Damit wird also eine entsprechende
Erhöhung des Messeffekts erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art mit hoher
Genauigkeit, Robustheit und vielfältiger Anwendbarkeit zu
schaffen.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1
gekennzeichneten Vorrichtung erreicht.
In den Ansprüchen 2 bis 17 sind vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wiedergegeben.
Mit dem Anspruch 18 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
von einer Vorrichtung zur Messung der Dichte zu einer
Vorrichtung zur Messung des Massenflusses eines Fluids
ausgebildet. Der Anspruch 19 hat eine bevorzugte Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Gegenstand.
Das Material der Messwand kann ein metallisches oder
keramisches Material oder ein Kunststoff sein. Als Metall
kann beispielsweise Stahl, insbesondere Edelstahl verwendet
werden. Als inertes Material wird glasartiger Kohlenstoff
bevorzugt, fallweise auch AL2O3 als Keramik. Das Material
des Referenzkörpers kann z. B. Glas oder Kunststoff sein.
Als Kunststoff kann beispielsweise ein Acrylglas eingesetzt
werden, z. B. Polymethylmethacrylat (PMMA) oder
Polyetheretherketon (PEEK) oder Rexolite.
Bei hochagressiven Flüssigkeiten unter Druck ist Edelstahl
besonders geeignet, bei eher niedrigen Drücken
Glaskohlenstoff. Als Kunststoff kann z. B. Rexolite
eingesetzt werden.
Eine wesentliche Verbesserung des Messeffekts wird dadurch
erreicht, dass der Sendeschallwandler derart schräg auf die
Grenzfläche Referenzkörper/Messzellenaußenwand auftrifft,
dass in der Messzellenwand durch Brechung nur noch
Transversalwellen erzeugt werden. Diese Bedingung ist
erreicht, wenn die Schallwellen schräg auf die Grenzfläche
Referenzkörper/Messzelle
auftreffen, dass der Einschallwinkel α zum Lot auf die
Grenzfläche größer ist als der Grenzwinkel α' und kleiner
als der Grenzwinkel α", worin
sind,
worin c1long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Referenzkörper,
c2long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in der Messzellenwand und
c2trans die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen in der Messzellenwand bedeuten.
(Vergleiche: Das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seite 38 und 39.)
worin c1long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Referenzkörper,
c2long die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen in der Messzellenwand und
c2trans die Schallgeschwindigkeit der Transversalwellen in der Messzellenwand bedeuten.
(Vergleiche: Das Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, Seite 38 und 39.)
Der Winkel α kann beispielsweise zwischen 30 und 60°
liegen.
Für den Fall eines schrägen Auftreffens des Schallstrahls
auf die Grenzschicht Fluid-Messzelle gelten die Gleichungen
V und VI.
cl: longitudinale Schallgeschwindigkeit im Feststoff [m/s]
ct: transversale Schallgeschwindigkeit im Feststoff [m/s]
ρf: Dichte im Feststoff [kg/m3]
c: Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit [m/s]
ρ: Dichte im Flüssigkeit [kg/m3]
(Krautkrämer und Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall 1986).
ct: transversale Schallgeschwindigkeit im Feststoff [m/s]
ρf: Dichte im Feststoff [kg/m3]
c: Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit [m/s]
ρ: Dichte im Flüssigkeit [kg/m3]
(Krautkrämer und Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall 1986).
Die Bezeichnungen der Winkel geben jeweils Aufschluss über
die Herkunft der Welle, also e für einfallend, r für
reflektiert und g für gebrochen mit zugehörigen Indizes der
Wellentypen l für longitudinal und t für transversal.
Transversalwellen weisen nämlich gegenüber
Longitudinalwellen immer eine niedrigere, im Fall von Stahl
etwa 45% niedrigere Schallgeschwindigkeit auf. Dies führt
nach den Gleichungen V und VI zu einer entsprechend
niedrigeren Schallimpedanz von Transversal- gegenüber
Longitudinalwellen und damit zu einer entsprechenden
Verringerung des Reflexionsfaktors an der Grenzfläche
Messzellenwand/Fluid.
Die niedrige Transversalwellen-Geschwindigkeit mit einem
flachen Einstrahlwinkel - gegen die Grenzfläche betrachtet
bzw. großer Winkel gegen das Lot - bewirkt nämlich
theoretisch wie messtechnisch nachweisbar eine
beträchtliche Verringerung der resultierenden
Schallimpedanzwerte.
Der Unterschied zu dem senkrechten Messverfahren liegt in
der Erhöhung des Messeffektes durch das schräge Auftreffen
einer Transversalwelle. Bei Stahl ist die akustische
Impedanz (longitudinal) ca. 46 kg/m2s, jedoch die
transversale nur ca. 25 kg/m2s. Im Falle eines Winkels
verringert sich die effektive Impedanz nochmals um ca. cos
α. Durch den Einschallwinkel lässt sich die weitest
resultierende Impedanz nochmals um etwa 10 bis 15%
verringern, sodass bei großem Winkel α in Stahl die
messtechnisch relevante Impedanz bei ca. 20-22 kg/m2s
liegt.
Der Messeffekt wird ferner vorzugsweise - dadurch erhöht,
dass der Schall im Messpfad an des Grenzfläche
Messzellenwand/Fluid wenigstens zweimal reflektiert wird,
wobei zwischen den beiden Reflexionsstellen zwischen der
Messzellenwand und dem Referenzkörper ein Luftspalt zu
einer quasi vollständigen Reflexion führt.
Damit wird z. B. ein W-förmiger und damit entsprechend
langer Messpfad verwirklicht. Bei konstruktiv geometrischer
Auslegung des Ultraschallstrahls einer bestimmten Frequenz
ist zwischen einer und mehreren (n) Reflexionsmessstellen
zu unterscheiden. Es entstehen also V-, W- oder VW-
Reflexionsmessstellen usw. Die Wirkung kommt einer ca. n-
fachen Multiplizierung des Reflexionsfaktors gleich, woraus
eine entsprechende Erhöhung des Messeffektes resultiert.
Die Summierung der vorteilhaften Effekte ist umso
bedeutender je weniger sich die Schallimpedanz über den
Messbereich der jeweiligen Stoffe verändert. Der Messeffekt
ist dabei prinzipiell unabhängig von der Art des
Messstoffes. Allerdings wird die Messung umso genauer, je
ähnlicher die Schallimpedanz des Messstoffes dem der
Messzelle (z. B. Edelstahlrohr, Kunststoffrohr) ist.
Da durch die Krümmung der Messzellenwand bei kleinen
Rohrquerschnitten (< 50 mm) die Reflexion des Schallstrahls
nicht optimal ausgebildet ist, ist die Wandung der
Messzelle im Bereich des Referenzkörpers, also des
Messpfades, vorzugsweise eben ausgebildet.
Gemäß der Erfindung ist der Referenzkörper an der Außenwand
der Messzelle angeordnet. Er kommt dadurch mit dem Fluid
nicht in Berührung. Der Referenzkörper dient der
Verbesserung der Genauigkeit der Messung des
Reflexionsfaktors, da der Empfangsimpuls aus dieser
Signalstrecke unabhängig von der Flüssigkeit ist und nur
von der Sendeenergie des Sendeschallwandlers abhängt.
Die Dichte lässt sich aus der Gleichung II mit der
zusätzlich zu bestimmenden Schallgeschwindigkeit des Fluids
ermitteln. Die Schallgeschwindigkeit wird vorzugsweise aus
dem in die Strömung eindringenden Schallstrahl mit Hilfe
eines zusätzlichen Empfangsschallwandlers bestimmt oder
aber anhand eines komplett getrennten Messpfades.
Die Messzelle ist vorzugsweise als Messrohr ausgebildet,
das von dem Fluid durchströmt wird, dessen Impedanz und
daraus die Dichte bestimmt werden soll. Damit kann mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Inline-Dichte-Messung
mit hoher Messrate durchgeführt werden.
Wenn die Messzelle als Messrohr ausgebildet ist, weist das
Messrohr in dem Bereich, an dem der Referenzkörper
angeordnet ist, eine plane Fläche auf, d. h. es kann einen
rechteckigen oder ovalförmigen Querschnitt besitzen.
Optional ragen die Reflexionsstellen zwischen der Rohrwand
und der Flüssigkeit, die das Rohr durchströmt, in das
Rohrinnere hinein. Dazu kann sich ein walmdachförmiger
Vorsprung, der in das Rohrinnere ragt, zwischen den
Reflexionsstellen an der Rohrinnenseite erstrecken. Durch
die in das Rohrinnere ragenden Messstellen wird die
Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit Ablagerungen an
den Reflexionsstellen entgegengewirkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch zur Clamp-On-
Technik geeignet, d. h. die Messzelle bzw. das Messrohr
wird durch das Rohr einer bestehenden Anlage gebildet, an
dem der Referenzkörper durch Anklemmen oder dergleichen
befestigt wird. Jeder Rohrdurchmesser, auch offene Flächen
sind geeignet.
Um Reflektoren in dem Fluid, beispielsweise Gasblasen zu
bestimmen, kann ein weiterer piezoelektrischer
Empfangsschallwandlers vorgesehen sein, der außerhalb des
durch den ersten piezoelektrischen Wandler generierten
Schallstrahls angeordnet, jedoch auf den Schallstrahl im
Fluid ausgerichtet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann aufgrund der
ermittelten Dichte bzw. Impedanz des Fluids auch der
Massenfluss des Fluids gemessen werden, sofern eine
Einrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
vorgesehen ist. Diese Einrichtung kann auf der Messung der
Laufzeit des Schalls zwischen zwei im Abstand angeordneten
piezoelektrischen Wandlern beruhen, vorzugsweise zwischen
dem ersten piezoelektrischen Wandler und einem
piezoelektrischen Wandler an der gegenüberliegenden Seite
des Messrohres.
Ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
stellt die Überwachung der Dichte oder des Massenflusses
beim Lackieren dar. So ist die Bestimmung der richtigen
Lackmenge und -konsistenz bei der Lackierung von
Kraftfahrzeugen von großer Bedeutung.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt die Beschichtung von
Filmen oder kosmetischen Oberflächen dar. So ist die
Überwachung der Konsistenz einer Flüssigkeit die zur
Erstellung einer qualitativ hochwertigen Oberfläche
verwendet wird von großer Bedeutung.
Die elektroakustischen Wandler, die erfindungsgemäß
verwendet werden, bestehen vorzugsweise aus einer dünnen
Platte, aus einem piezoelektrischen Material, die an beiden
Seiten mit einem elektrisch leitfähigem Material
beschichtet ist. Die Ultraschallfrequenz, die der
piezoelektrische Wandler generiert, kann zwischen 20 kHz
und 100 MHz und gegebenenfalls Gigahertz betragen. Es
können Kristallschwinger, Piezoschwinger und
Kunststofffolien z. B. PVDF mit Piezoeffekt für höchste
Frequenzen eingesetzt werden. Bei Gasen beträgt die
Frequenz vorzugsweise 60-300 kHz, bei Fluiden 1-16 MHz.
Mit dem Empfangsschallwandler werden eine oder mehrere
aufeinanderfolgende Impulsspannungen gemessen. Dazu wird
der Sendeschallwandler, der einen kurzen Impuls von z. B. 1-
5 Mikrosekunden abgibt, angeregt. Bei dem
Empfangsschallwandler kommt nacheinander das Impulssignal
über den Referenzpfad und über den Messpfad an. Die
Impulssignale können dann hinsichtlich der Spannungshöhe
verglichen werden, aber auch hinsichtlich Interferenz und
Störungsausbildung.
Optional kann an der Reflexionsstelle im Referenzkörper als
auch an der des Messkörpers gegen Luft ein Material
aufgebracht werden, dass die Reflexion positiv beeinflusst.
Das Material kann beispielsweise ein keramisches Material
sein oder ein anderes Material mit hoher Impedanz,
beispielsweise Aluminiumoxid. Es kann in Form einer Scheibe
oder Platte aufgebracht werden. Durch dieses Material wird
eine Amplitudenerhöhung des Referenzsignals erreicht.
Ebenso kann in dem Luftspalt zwischen der Messzelle und dem
Referenzkörper auf der Reflexionsstelle zwischen der
Messzellenwand und dem Luftspalt ein derartiges Material,
also beispielsweise Aluminiumoxid aufgebracht werden.
Beispielsweise als Laborausführung kann die Messzelle auch
offen ausgebildet sein, gegebenenfalls nur aus einer
Messfläche bestehen. Die Bestimmung der Dichte erfolgt dann
durch Aufbringung des Fluids auf diese Messfläche, wobei
bei einer Flüssigkeit beispielsweise einige Tropfen
ausreichen. Wenn der Flüssigkeitstropfen eine Oberfläche
bildet, die für die aus der Reflexionsfläche
Messzellenwand/Flüssigkeit austretenden Ultraschallwellen
reflektierend wirkt, beispielsweise eine glatte und runde
oder halbrunde Oberfläche, ist es vorteilhaft, eine
Ultraschalldämpfende Schicht, beispielsweise eine
Kunststoffplatte, z. B. aus einem fluorhaltigen Polymeren,
wie PVDF, in geringem, nicht interferenzbildenden Abstand
über der Messfläche anzuordnen.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung
beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Messrohr nach einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Variante des Messrohres nach Fig. 1 mit in
das Rohrinnere ragenden Reflexionsflächen des Messpfades;
Fig. 3a bis 3c jeweils einen Querschnitt entlang der
Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4a ein Diagramm mit der Referenz-Mess- und
Laufzeitamplitude der Impedanzmessung;
Fig. 4b ein Diagramm der Laufzeitmessung;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere
Ausführungsform des Messrohres; und
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5.
Gemäß Fig. 1 ist seitlich an einem Messrohr 1 ein
Referenzkörper 2 angeordnet. Der Referenzkörper 2 weist
einen quaderförmigen Hauptabschnitt 3 auf, der in
Strömungsrichtung des Fluids, die durch den Pfeil 4
angedeutet ist, an beiden Enden mit einem schrägen
Abschnitt 5, 6, versehen ist, der jeweils einen
piezoelektrischen Wandler 7 bzw. 8 tragen.
Der erste piezoelektrische Wandler 7 generiert einen
Ultraschallimpuls, mit dem einerseits eine
Referenzamplitude (Aref) und andererseits eine Messamplitude
(Amess) gebildet werden (Fig. 4a), die vom zweiten
piezoelektrischen Wandler 8 empfangen werden.
Die Referenzamplitude Aref wird über den Referenzpfad 10 in
dem Referenzkörper 2 erhalten, die Messamplitude Amess über
den Messpfad 11 in der Rohrwand 12.
Der Referenzpfad 10 beginnt mit der Wegstrecke 13 von dem
Wandler 7 zu der ersten Reflexionsstelle 14 an der
Grenzfläche Referenzkörper 2/Messrohr 1, an der die
Schallwelle teils in den Referenzkörper 2 reflektiert und
teils in die Messrohrwand 12 gebrochen wird. Der an der
ersten Reflexionsstelle 14 reflektierte Schall wird an der
dem Rohr 1 gegenüberliegenden Seite des quaderförmigen
Referenzkörpers 2 an der Reflexionsstelle 16 an der
Grenzfläche Referenzkörper 2/Luft zurück zu der
Reflexionsstelle 17 an der Grenzfläche Referenzkörper
2/Messrohr 2 reflektiert und von dort zu dem
Empfangsschallwandler 8 auf der Wegstrecke 18.
Der Messpfad 11 beginnt wie der Referenzpfad 10 mit der
Wegstrecke 13, setzt sich mit dem an der Reflexionsstelle
14 durchgelassenen Schall fort, der an der Reflexionsstelle
20 an der Grenzfläche zwischen dem Messrohr 1 und Fluid 4
an der Rohrinnenwand zu einer Reflexionsstelle 21
reflektiert wird, die an der Rohraußenwand durch eine
Grenzfläche zwischen dem Messrohr 1 und Luft gebildet wird,
wozu im Bereich der Reflexionsstelle 21 ein Luftspalt durch
eine entsprechende Ausnehmung 22 in dem Referenzkörper 2
vorgesehen ist, welcher ansonsten vollflächig an dem
Messrohr 1 anliegt.
Der an der Reflexionsstelle 21 reflektierte Schall wird zu
der Reflektionsstelle 23 an der Grenzfläche Messrohr
1/Fluid 4 an der Messrohrinnenwand reflektiert und von dort
nach Durchgang durch die Reflexionsstelle 17 über die
Wegstrecke 18 zu dem Empfangsschallwandler 8.
Damit in der Rohrwand 12 nur noch Transversalwellen
vorliegen, ist der Winkel α, zwischen dem Lot auf die
Grenzfläche Referenzkörper 2/Rohr 1 und dem Schallstrahl,
den der Sendeschallwandler 7 sendet, vorzugsweise größer
als α' und kleiner als α", gemäß den vorstehenden Formeln
(III) und (IV).
Der Referenzpfad 10 und der Messpfad 11 sind symmetrisch
zur Symmetrieebene 25 ausgebildet. Damit werden die
Schallwellen im gleichen Winkel α von dem
Empfangsschallwandler 8 empfangen.
Wenn das Messrohr 1 aus Edelstahl besteht und der
Referenzkörper 2 aus Acrylglas, kann der Winkel α z. B. 45°
betragen.
Die Impedanz des Fluids wird gemäß den Gleichungen V und VI
aus dem Reflexionsfaktor (dem Verhältnis von Aref und Amess)
ermittelt.
Es folgt die Messung der Schallgeschwindigkeit auch mit dem
piezoelektrischer Wandler 7 und einem weiteren
piezoelektrischen Wandler 29 an der gegenüberliegenden
Seite des Messrohres. Aus der Impedanz und der
Schallgeschwindigkeit kann nun die Dichte des Fluids aus
der Gleichung (II) ermittelt werden.
Optional ist zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ein
weiterer piezoelektrischer Sendeschallwandler 27 an der
einen und ein piezoelektrischer Empfangsschallwandler 28 an
der anderen Seite des Messrohres 1 vorgesehen.
Um Reflektoren in dem Fluid 4 in dem Messrohr 1,
beispielsweise Gasbläschen in einer Flüssigkeit
festzustellen, kann ein weiterer piezoelektrischer
Empfangsschallwandler 31 vorgesehen sein, der sich
außerhalb des Schallstrahls in dem Messrohr 1 zu dem
piezoelektrischen Wandler 29 befindet, jedoch auf den
Schallstrahl in dem Fluid 4 ausgerichtet ist. Bei diesem
Messpfad wird primär der Dopplereffekt genutzt.
Gemäß Fig. 3a bis 3c weist das Messrohr 1 einen
rechteckigen, ovalen oder sechseckigen Querschnitt auf. Das
Messrohr 1 kann, wie in Fig. 2a dargestellt, an der
Innenseite an dem Reflexionsstelle 19 Messrohrwand 12/Fluid
4 beispielsweise als walmdachförmig ausgebildeter Vorsprung
32 ausgebildet sein, der in das Fluid 4 ragt.
Mit den Sendeschallwandlern 27 und 28 bzw. mit den
Sendeschallwandlern 7 und 29 kann zugleich die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids 4 bestimmt und damit
der Massenfluss des Fluids gemessen werden. Dies erfolgt
nach dem Prinzip der Laufzeitdifferenzmessung.
Der erste piezoelektrische Wandler 7 und der
gegenüberliegende Wandler 29 sind vorzugsweise sowohl als
Sende- wie als Empfangsschallwandler ausgebildet und werden
alternierend auf Senden und Empfangen geschaltet.
Wie das Diagramm in Fig. 4a und 4b zeigt, sind der
Referenzpfad 10, des Messpfad 11 und der Pfad zwischen dem
ersten Wandler 7 und dem auf der anderen Seite des
Messrohres 1 gegenüberliegenden Wandler 29 zur Bestimmung
der Laufzeit des Schalls so ausgebildet, dass jeder
Schallimpuls in der Zeitmessung amplitudenmäßig erfasst
werden kann. Aus der Referenzamplitude Aref, der
Messamplitude Amess und der Laufzeit (Fig. 4a) kann damit
die Dichte und der Massenfluss bestimmt werden. Fig. 4b
zeigt also die vom Empfangsschallwandler 8 empfangenen
Impulse, und Fig. 4a den vom Empfangsschallwandler 29
empfangenen Impuls.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 unterscheidet sich
von den der nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass die
beiden piezoelektrischen Ultraschallwandler 34, 35 zur
Laufzeitmessung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in
dem Fluid 4 vor und nach dem Referenzkörper 2 derart
aufeinander ausgerichtet sind, dass ein durch das Messrohr
1 parallel zu dessen Längsachse 36 verlaufender
Ultraschallstrahl gebildet wird. Die Ultraschallwandler 34,
35 sind dazu in Strömungskörpern 37, 38 in dem Messrohr 1
angeordnet.
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Messung der Dichte eines Fluids, mit
einer Messwand, einer Einrichtung zur Bestimmung der
Schallimpedanz des Fluids mit einem
piezoelektrischen Ultraschallwandler, dessen Impuls
einerseits zur Bildung einer Referenzamplitude in
einem Referenzpfad in einem Referenzkörper an einer
Grenzfläche zwischen dem Referenzkörper und der Luft
reflektiert wird und andererseits zur Bildung einer
Messamplitude in einem Messpfad an der Grenzfläche
zwischen Messwand und Fluid teils reflektiert und
teils durchgelassen wird, einer Einrichtung zur
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid
und einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der
Dichte aus der Schallgeschwindigkeit und aus der aus
dem Verhältnis der Referenzamplitude und der
Messamplitude erhaltenen Schallimpedanz, wobei der
Referenzkörper an der dem Fluid gegenüberliegenden
Seite der Messwand anliegt, dadurch gekennzeichnet,
dass der eine, erste piezoelektrische Wandler (7)
als Sendeschallwandler an dem einen Ende des
Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) und ein
zweiter piezoelektrischer Wandler(8) als
Empfangsschallwandler an dem anderen Ende des
Referenzpfades (10) und des Messpfades (11) derart
schräg angeordnet sind, dass der Referenzpfad (10)
durch den Weg des an der Grenzfläche Referenzkörper
(2)/Messwand (12), Referenzkörper (2)/Luft und
Referenzkörper (2)/Messwand (12) reflektierten
Schalls und der Messpfad (11) durch den Weg des an
der Grenzfläche Referenzkörper (2)/Messwand (12)
gebrochenen, an der Grenzfläche Messwand (12)/Fluid
(4) reflektierten und an der Grenzfläche Messwand
(12)/Referenzkörper (2) gebrochenen Schalls in der
Messwand (12) gebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufzeit des Schalls auf seinem Weg durch
den Referenzkörper (2) ungleich der Laufzeit des
Schalls auf seinem Weg durch die Messwand (12) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schall im Messpfad (11) an
der Grenzfläche Messwand (12)/Fluid (4) wenigstens
zweimal reflektiert wird, wobei zwischen den beiden
Reflektionsstellen (20, 23) zwischen der Messwand
(12) und dem Referenzkörper (2) ein Luftspalt (22)
zur Bildung einer weiteren Reflektionsstelle (21)
vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwelle des
Sendeschallwandlers (7) derart schräg auf die
Grenzfläche Referenzkörper (2)/Messwand (12)
auftrifft, dass in der Messwand (12) nur noch
Transversalwellen vorliegen.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messwand (12) aus
Metall oder glasartigem Kohlenstoff oder Keramik
besteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messwand (12) durch
die Wand einer Messzelle gebildet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der Referenzkörper (2) seitlich an der
Messzelle angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der
Schallgeschwindigkeit ein piezoelektrischer
Sendeschallwandler (27) an der einen und ein
piezoelektrischer Empfangsschallwandler (28) an der
anderen Seite der Messzelle vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der
Schallgeschwindigkeit ein piezoelektrischer Wandler
(29) an der dem ersten piezoelektrischen Wandler (7)
gegenüberliegenden Seite der Messzelle vorgesehen
ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste piezoelektrische Wandler (7) und der
gegenüberliegende piezoelektrischer Wandler (29) zum
alternierenden Schalten auf Senden und Empfang als
Sende- und Empfangsschallwandler ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von
Reflektoren in dem Fluid ein weiterer
piezoelektrischer Empfangsschallwandler (31)
vorgesehen ist, der außerhalb des durch den ersten
piezoelektrischen Schallwandler (1) in dem Fluid
erzeugten Schallstrahl angeordnet und auf den
Schallstrahl (32) in dem Fluid (4) ausgerichtet
ist, um einen Dopplereffekt zu messen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle als ein
von dem Fluid (4) durchströmtes Messrohr (1)
ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) zur Bildung
einer Ebene im Bereich des Referenzkörpers (2) einen
mehreckigen oder ovalen Querschnitt aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) aus Stahl oder
glasartigem Kohlenstoff besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) aus Stahl und
einer Innenschicht aus glasartigem Kohlenstoff
besteht.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da
durch gekennzeichnet, dass die Reflektionsstelle (n)
(19, 20, 23) zwischen der Rohrwand (12) und dem
Fluid (4) an einem Vorsprung (32) vorgesehen ist,
bzw. sind, welcher in das Messrohr (1) ragt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) durch
das Rohr einer bestehenden Anlage gebildet wird und
der Referenzkörper (2) an das Rohr befestigbar
ausgebildet ist (Clamp-On).
18. Vorrichtung zur Messung des Massenflusses eines
Fluids aus der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
und der mit der Vorrichtung nach einem der
vorstehenden Ansprüche ermittelten Dichte des
Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit in dem Messohr (1) eine
Auswerteschaltung zur Messung der Laufzeit des
Schalls zwischen dem ersten piezoelektrischen
Wandler (7) und dem auf der anderen Messrohrseite
angeordneten piezoelektrischen Wandler (29)
vorgesehen ist.
19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der Dichte
und des Massenflusses des Lacks beim Lackieren.
20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der
Konsistenz einer Flüssigkeit bei einer Beschichtung
von z. B.: Filmen, kosmetischen Oberflächen oder
Datenträgern.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006067357A3 (fr) * | 2004-12-21 | 2006-08-31 | Mer Inst Francais De Rech Pour | Dispositif de mesure de la charge mecanique exercee par un fluide a l 'aide du transducteur electromecanique |
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