DE19601944C2 - Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz, in Fluiden.

Im Stand der Technik wird die Schallgeschwindigkeit bzw. die Schallabsorption nach unterschiedlichen Ver­ fahren gemessen. Bei den sogenannten Ultraschallreso­ nanzverfahren werden in dem zu untersuchenden Fluid stehende Schallwellen erzeugt, wobei sich zwei ebene Schallwandler, eine Meßstrecke einschließend, gegen­ überstehen. Aus der Frequenz der stehenden Schallwel­ le und den Abmessungen der Meßstrecke läßt sich die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid der Meßstrecke ermitteln. Eine derartige Anordnung ist in der Ver­ öffentlichung Burda, W., Becker, W.-J., Ultraschall- Resonanz-Meßgerät für die Fluid-Prozeßmeßtechnik, Technisches Messen 60 (1993) 10, Seiten 376 bis 382, beschrieben. An die Ausrichtung beider Schallwandler zueinander werden extrem hohe Forderungen gestellt, da hierdurch die erreichbare Genauigkeit der Meßein­ richtung wesentlich bestimmt wird, so daß eine auf­ wendige Justierung vorgenommen werden muß. Weiterhin müssen identische Schallwandler verwendet werden, die jedoch kaum zu realisieren sind, da selbst bei iden­ tisch gefertigten Schallwandlern unvermeidbare Unter­ schiede in den Übertragungseigenschaften auftreten. Hieraus resultiert unter anderem eine relativ kompli­ zierte und kaum reproduzierbare Schallfeldgeometrie zwischen den beiden Schallwandlern in der zu unter­ suchenden Flüssigkeit.

Aus der DE 34 20 794 A1 ist eine Einrichtung zur Un­ tersuchung von Flüssigkeitseigenschaften durch die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls bekannt, bei der gleichfalls zwei Schallwand­ ler vorgesehen sind, die eine Meßstrecke einschlie­ ßen, wobei bei dieser Einrichtung die Schallgeschwin­ digkeit über die Laufzeit bestimmt wird, die ein Schallimpuls zum Durchlaufen der Meßstrecke benötigt. Zur akustischen Entkopplung der Schallwandler unter­ einander ist bei dieser bekannten Einrichtung ein erheblicher konstruktiver Aufwand notwendig. Dies gilt insbesondere zur akustischen Analyse geringer Flüssigkeitsmengen.

Die bei den bekannten Verfahren verwendeten plan­ parallel angeordneten Wandleranordnungen verursachen beim Einbau in Rohrsystemen erhebliche Störungen des Strömungsprofils und konstruktionsbedingt auch Wirk­ druckverluste beim Fluidtransport, so daß häufig eine solche Anordnung nicht anwendbar ist. Zur Verringe­ rung der Rückwirkung der Schallwandlerkonstruktion auf das Strömungsprofil in Rohrsystemen sind Anord­ nungen bekannt, bei denen ebene Schallwandler mit einer der zylindrischen Oberflächengeometrie des Roh­ res angepaßten Koppelschicht kombiniert werden. Diese Anordnung weist aber entscheidende Nachteile auf. Im allgemeinen muß berücksichtigt werden, daß die Ände­ rung der Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids das Schallfeld durch die von der geometrischen Form der Koppelschicht verursachten Fokussierung stark verändert, was die amplituden- und auch zeit­ abhängige Auswertung der Empfangs- und Echosignale erheblich beeinträchtigt. Oft werden auch nicht die Forderungen an die zulässigen Toleranzen hinsichtlich Übertragungsfunktion des Schallwandlers und deren mechanischen Anordnung bzw. Ausrichtung erfüllt. Dar­ über hinaus sind zur Vermeidung der Ausbreitung stö­ render und unerwünschter Oberflächenwellen bzw. wei­ terer Schwingungsmoden die zuverlässige akustische Entkopplung der beiden Wandler im Rohr zu gewährlei­ sten. Aus der Sicht der Herstellbarkeit werden an die einzelnen an der Konstruktion beteiligten Schichten bezüglich ihrer Maßhaltigkeit extreme Forderungen gestellt. Während dies noch mit entsprechendem Auf­ wand technologisch gut beherrscht wird, erweist sich meist die Konfektionierung bzw. Montage der Schall­ wandler (Kleb- oder Lötverbindungen) als nicht zuver­ lässig reproduzierbar.

Aus "DER ULTRASCHALL" von Dr. L. Bergmann, 6. Aufla­ ge, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1954, Seiten 449 bis 452, ist ein Nachhallverfahren für sehr kleine Ab­ sorptionskoeffizienten bekannt, das als Kugelreso­ nanzverfahren ausgebildet ist. Dieses Verfahren dient ausschließlich zur Bestimmung der Schallabsorption und vorteilhafterweise in nur schwach absorbierenden Flüssigkeiten. Bei dem Kugelresonanzverfahren wird die zu messende Flüssigkeit in einem kugelförmigen Gefäß aufgenommen, wobei das Gefäß mit Hilfe einer Ringelektrode elektrostatisch zu Eigenschwingungen angeregt wird. Das bedeutet, daß über die Gefäßwand ein starkes akustisches Signal in die zu untersuchen­ de Flüssigkeit eingestrahlt wird und anschließend das Abklingverhalten der akustischen Schwingung des mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes ausgewertet wird. Dazu ist an dem Gefäß ein ADP-Kristall angebracht, über das piezoelektrisch die Schwingungsamplitude abgenom­ men und anschließend verarbeitet wird. Dieses Verfah­ ren ist sehr aufwendig und es läßt sich nicht bei­ spielsweise für beliebige Meßflüssigkeiten und belie­ bige Gefäßabmessungen verwenden.

Die DE 35 13 215 C2 beschreibt einen zylindrischen piezoelektrischen Biegeschwingungswandler, an dem Elektroden derart vorgesehen sind, daß die durch zwei stoffschlüssig miteinander verbundene Lagen aufwei­ sende Zylinderwand sich rotationssymmetrisch zur Zy­ linderlängsachse verformen kann.

Aus der DE-AS 11 66 506 ist eine Vorrichtung zum Mes­ sen von Drücken bzw. Druckdifferenzen offenbart, die einen mindestens einseitig mit Druck beaufschlagten Hohlkörper umfaßt. Der Hohlkörper ist als geschlosse­ ner Zylinder ausgebildet und ist Bestandteil eines rückgekoppelten, elektromagnetischen Schwingungssy­ stems, dessen Schwingungsfrequenz druckabhängig ist, wobei in dem Hohlkörper symmetrisch zu dessen Achse die Erregerspule und die Abtastspule angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Messung von akustischen Größen, wie der Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder aku­ stischer Impendanz, von Fluiden zu schaffen, die eine genaue Messung der akustischen Größen auch bei klei­ nem Fluidvolumen gewährleistet, wobei der Aufbau der Wandleranordnung einfach sein soll und keine aufwen­ digen Justierarbeiten nötig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, daß der gleich­ zeitig als Sender und Empfänger dienende Schallwand­ ler aus Piezokeramik zylinderförmig ausgebildet ist, wird die Einstrahlung eines akustischen Signals (Kom­ pressionswelle bzw. Longitudinalwelle) gleichzeitig und phasenrichtig in das Innere des Zylinders, der mit dem zu untersuchenden Fluid gefüllt ist, reali­ siert. Nach der zum Mittelpunkt des Zylinders gerich­ teten konzentrischen Durchdringung des Fluids erfolgt der Empfang und die Auswertung des Schallsignals in­ tegral auf der gesamten Schallwandleroberfläche. Stö­ rende Effekte infolge der sich möglicherweise bilden­ den Fremdmoden können durch diese Art der Schallsi­ gnalerzeugung und geeigneten konstruktiven Maßnahmen weitgehend ausgeschlossen bzw. unterdrückt werden. Das Schallfeld ist in seiner Form sehr homogen und gut reproduzierbar. Aufgrund der radialsymmetrischen Form der Schallwandleranordnung werden die Anforde­ rungen hinsichtlich der mechanischen Konstruktion technologisch vorteilhafter beherrscht. Zusätzliche Schichten können den direkten Medienkontakt vermeiden oder die zielgerichtete Beeinflussung des akustischen Verhaltens des Schallwandlers ermöglichen. Durch die zylinderförmige Anordnung des Schallwandlers wird die Auflösung erheblich verbessert, so daß sehr viel kleinere Abmessungen für den Wandler im Vergleich zu üblichen akustischen Sensoreinrichtungen verwendet werden können, wodurch sich auch das für die akusti­ sche Analyse notwendige Fluidvolumen beträchtlich verringert.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind weitere Verbesserungen und Weiterbildungen möglich. Der zylinderförmige Schallwandler läßt sich direkt in Rohre einbauen, ohne das Strömungsprofil zu verändern oder einen Wirkdruckverlust zu verursachen. Durch Segmentierung des zylinderförmigen Schallwand­ lers können clamp-on-Meßeinrichtungen realisiert wer­ den. Weiterhin ist durch die Segmentierung eine rich­ tungsabhängige Auswertung möglich. Durch einfache konstruktive Maßnahmen zur Drehung des zylinderförmi­ gen Schallwandlers wird gewährleistet, daß sich auf der Oberfläche keine Beläge oder Luftblasen anlagern bzw. anhaften. Durch Vorsehen eines Außenzylinders kann in dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder und Schallwandler ein Medium geführt werden, das zur Küh­ lung bzw. bei definierter Temperatur zur Thermostati­ sierung des zylindrischen Schallwandlers und des zu untersuchenden Fluids dient. Wenn ein Referenzmedium in dem Zwischenraum vorgesehen wird, können die Meß­ genauigkeit weiter erhöht werden und Temperaturein­ flüsse kompensiert werden.

Der erfindungsgemäße zylindrische Schallwandler ist gleichermaßen für alle direkten Verfahren und für das Resonanzverfahren einsetzbar und geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische radiale und axiale Querschnittsansicht des erfindungsge­ mäßen Schallwandlers, und

Fig. 2 eine Darstellung des zylindrischen Schallwandlers mit elektronischer Be­ schaltung.

In Fig. 1 und 2 sind schematisch eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden darge­ stellt. Die Vorrichtung weist einen zylindrischen Schallwandler 1 vorzugsweise aus einer Piezokeramik auf, wobei ein zu untersuchendes Fluid 2 im Inneren des zylindrischen Schallwandler 1 vorgesehen ist. Der Durchmesser des zylindrischen Schallwandlers 1 sowie seine Länge sind auf die durchzuführende Meßaufgabe abgestimmt und können beliebig gewählt werden. Der zylindrische Schallwandler kann von einem Gehäuse 3 ebenfalls zylindrisch umgeben sein, das auch als Re­ flektor dienen kann.

Der Schallwandler ist mit einer Sende- und Empfänger­ schaltung 4 verbunden, die elektrische Signale zur Erzeugung von Schallwellen an den Schallwandler lie­ fert und die durch Schallwellen hervorgerufenen elek­ trische Signale von dem Schallwandler 1 empfängt. Die Sende- und Empfängerschaltung 4 ist mit einer Auswer­ teschaltung 5 verbunden, die aus den empfangenen elektrischen Signalen abhängig von dem gewählten Meß­ verfahren und den Abmessungen des Schallwandlers und gegebenenfalls des Stoffsystems die akustische Größe wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz des Fluids 2 bestimmt.

Bei einem Laufzeitverfahren liefert die Sendeschal­ tung 4 einen elektrischen Impuls an den Schallwandler 1, der diesen in ein impulsförmiges Schallsignal um­ wandelt und eine Longitudinal- bzw. Kompressionswelle durch das Fluid 2 zum gedachten Mittelpunkt des Zy­ linders sendet, worauf die sich weiter ausbreitende Schallwelle von dem zylindrischen Schallwandler wie­ der empfangen wird. Die Empfängerschaltung 4 erhält das von dem Schallwandler 1 aufgrund der empfangenen Schallwellen erzeugte Empfangssignal und die Auswer­ teschaltung 5 bestimmt abhängig von der Laufzeit zwi­ schen Sendeimpuls und Empfangssignal und abhängig von den Abmessungen des Schallwandlers 1, zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, die kenn­ zeichnend für die Eigenschaft des Fluids ist. Unter Heranziehung der Amplitude bzw. deren Änderung des Empfangssignals kann unter Verwendung bekannter Au­ werteverfahren die Schallabsorption und/oder die aku­ stische Impedanz berechnet werden.

Bei dem Resonanzverfahren liefert die Sendeschaltung 4 ein kontinuierliches Signal an den Schallwandler 1, durch das innerhalb des zylindrischen Schallwandlers 1 eine stehende Welle erzeugt wird. Aus der Amplitude des elektrischen Signals am Schallwandler kann unter Berücksichtigung der Signalfrequenz oder deren Ände­ rungen und gegebenenfalls des Phasenverhaltens und der vorhandenen Abmessungen wiederum die Schallge­ schwindigkeit und/oder Schallabsorption und/oder aku­ stische Impedanz bestimmt werden.

Selbstverständlich können unterschiedliche bekannte Verfahren zur Auswertung der Empfangssignale ange­ wandt werden.

Der zylindrische Schallwandler 1 kann von dem Fluid durchströmt werden, es ist jedoch auch möglich, daß der zylindrische Schallwandler durch einen Boden und/oder durch einen Deckel abgedeckt ist und ein konstantes Volumen aufnimmt und direkt die Meßzelle zur Aufnahme und Untersuchung des Fluids bildet. Auch können ein oder mehrere weitere Konstruktionselemente mit dem zylindrischen Schallwandler 1 in Verbindung stehen, um eine Meßzelle zu bilden.

Der zylinderförmige Schallwandler kann direkt in Roh­ re eingebaut werden, um das durch die Rohre fließende Fluid zu untersuchen. Durch den Wandler wird eine Veränderung des Strömungsprofils oder ein Wirkdruck­ verlust vermieden.

Der Zwischenraum zwischen Schallwandler 1 und Außen­ zylinder bzw. Gehäuse 3 ist mit einem Referenzmedium gefüllt. Unter Verwendung des Referenzmediums kann der Temperatureinfluß kompensiert werden und es kann die Genauigkeit erhöht werden. Hierbei werden die Schallsignale eines front- und rückseitig abstrahlen­ den zylindrischen Schallwandlers genutzt, welche frontseitig nach dem Passieren der Meßflüssigkeit und rückseitig nach dem Passieren des Referenzmediums simultan (aber zeitlich gering versetzt) wieder vom Schallwandler empfangen werden. Die gleichzeitige Auswertung des Referenzmediums gestattet eine bessere Anpassung der Auswerteelektronik an die zu erwarten­ den Sensorsignale. Mit Hilfe des Schallsignals im Referenzmedium ist es auch möglich, sicher den Aus­ fall von Ultraschallsensoren (defekte elektrische Verbindungen u. a.) von nicht vorhandener Flüssigkeit im Meßraum zu unterscheiden.

In dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder 3 und Schallwandler 1 kann auch ein Medium geführt werden, durch das der Schallwandler 1 und das Fluid 2 gekühlt oder gewärmt wird, in gleicher Weise kann jedoch auch ein Medium definierter Temperatur vorgesehen sein, das zur Thermostatisierung der Anordnung dient. Hier­ bei können unter Berücksichtigung des thermischen Einschwingens die Temperaturen von Schallwandler und Meßflüssigkeit nahezu ideal angeglichen werden.

Zur Isolierung des Fluids 2 von dem Schallwandler 1 kann eine Isolierschicht als Koppelschicht auf der Innenwand des zylindrischen Schallwandlers 1 vorgese­ hen werden. Darüber hinaus können sowohl auf der In­ nenfläche als auch auf der Außenfläche des zylin­ drischen Wandlers 1 zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Schallwandlers 1 eine oder mehrere Dämpfungsschichten oder Koppelschichten angeordnet sein.

Die Koppelschicht dient frontseitig erstens, wie aus­ geführt, zur Isolierung des Schallwandlers vom zu untersuchenden Fluid und zweitens zur akustischen Anpassung der recht unterschiedlichen Materialimpen­ danzen von Piezokeramik und Flüssigkeit, um einen möglichst effektiven Schallsignaleintrag in die Flüs­ sigkeit zu gewährleisten. Hinsichtlich der ersten Funktion soll diese Koppelschicht eine hohe chemische Resistenz und mechanische Festigkeit gegenüber den zu untersuchenden Materialien besitzen. Die zweite For­ derung wird am besten erfüllt, wenn die akustische Impendanz der Koppelschicht dem geometrischen Mittel der Koppelschichten der angrenzenden Flächen ent­ spricht. Auch mehrere Schichten sind denkbar. Streng betrachtet besteht im allgemeinen ein komplettierter Schallwandler frontseitig mindestens aus einer Kop­ pelschicht, der Haft- bzw. Verbindungsschicht und der Metallelektrode auf der Piezokeramik.

Die Dämpfungsschicht wird rückseitig an die Piezoke­ ramik angebracht und soll im allgemeinen die rücksei­ tig abgestrahlten Schallsignale aufnehmen und mög­ lichst vollständig absorbieren. Prinzipiell kann die Dämpfungsschicht auch aus mehreren Einzelschichten bestehen oder nicht homogener Struktur sein. Gleich­ zeitig führen diese zusätzlichen Schichten ebenfalls zu einer höheren Grundbedämpfung des Gesamtschwin­ gungssystems und bilden darüber hinaus in Verbindung mit einer Gehäuseschicht den rückwärtigen Abschluß des Schallwandlers. Diese Dämpfungsschicht ist vor­ teilhaft im Falle einer einfachen einzylindrigen Meß­ zelle als auch für den Fall, daß der äußere Raum um den Schallwandler zur Thermostatisierung der Meßzelle genutzt wird, um störende Reflexionen zu vermeiden. Wird im Zusammenhang mit einem Referenzmedium die front- und rückseitige Abstrahlung des Schallsignals beabsichtigt und ausgenutzt, muß die Koppelschicht beidseitig an der Piezokeramik angebracht werden. In diesem Falle würde die rückwärtige Dämpfungsschicht entfallen.

Der zylindrische Schallwandler 1 kann aus zwei Halb­ schalen oder aus mehreren Schalensegmenten bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, den zylindrischen Schallwandler auf bzw. um eine Rohrleitung anzuord­ nen, in der das zu untersuchende Fluid strömt. Hier­ bei muß allerdings die Rohrleitung selbst als Koppel­ medium berücksichtigt werden.

Bei Vorsehen von mehreren Schalensegmenten können diese einzeln angesteuert werden. Auf diese Weise kann aus den jeweiligen Empfangssignalen der Schalen­ segmente des zylinderförmigen Schallwandlers 1 eine richtungsabhängige Auswertung des zu untersuchenden Fluids vorgenommen werden.

Bei Segmentierung des zylindrischen Schallwandlers in vier Teile entstehen zum Beispiel zwei sich jeweils gegenüberstehende Sender-Empfängeranordnungen. Wenn dieser Zylinder Teil eines Rohres ist, in dem eine Mehrphasenströmung (Flüssigkeit mit Feststoffen oder Gasanteil) fließt und wenn eine der Wandleranordnun­ gen horizontal und die andere vertikal angeordnet sind, lassen sich so sedimentierte Feststoffe oder aufsteigende Gasbläschen getrennt vom reinen Flüssig­ keitsstrom erfassen.

Der Schallwandler kann während der Messung bzw. zwi­ schen den Messungen um seine Symmetrieachse gedreht werden, wodurch vermieden wird, daß sich auf den Oberflächen des Schallwandlers Beläge oder Luftblasen festsetzen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz, in Fluiden mit einer Schallsender- und -empfängeranordnung, die mit einer Sende- und Empfängerschaltung verbunden ist und die von der Sendeschaltung erzeugte elektri­ sche Signale in Schallwellen umwandelt und empfan­ gene Schallwellen in elektrische Signale umwan­ delt, und mit einer Auswerteschaltung zum Bestim­ men der akustischen Größe auf der Grundlage der empfangenen elektrischen Signale, wobei die Schallsender- und -empfängeranordnung als Piezoke­ ramik in Form eines zylindrischen Schallwandlers (1) ausgebildet ist, und das Fluid (2) im Innen­ raum des zylinderförmigen Schallwandlers (1) auf­ genommen ist, der Schallwellen in das Fluid aus­ sendet und diese anschließend wieder empfängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schallwandler (1) ein impulsförmiges Schallsignal sendet und empfängt und die Auswerte­ schaltung (5) die akustische Größe abhängig von der Laufzeit und/oder der Amplitude bzw. deren Änderung bestimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der zylindrische Schallwandler (1) ein kontinuierliches Schallsignal erzeugt, das in dem Fluid eine stehende Welle bildet und das die Aus­ werteschaltung die akustische Größe abhängig von der Amplitude und Frequenz oder deren Änderung be­ stimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (1) zu seiner Isolierung vom zu untersuchenden Fluid (2) und/oder zur Verbesserung seiner akustischen Ei­ genschaften mindestens eine Koppelschicht und/oder mindestens eine Dämpfungsschicht aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der zylinderische Schallwandler (1) ein- oder beidseitig abgeschlos­ sen ist und als Meßzelle zur Aufnahme und Unter­ suchung des Fluids (2) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schall­ wandler (1) in oder an einem vom Fluid (2) durch­ flossenen Rohr eingebaut ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schall­ wandler (1) von einem Außenzylinder (3) umgeben ist, wobei der Raum zwischen Schallwandler (1) und Außenzylinder (3) mit einem Referenzmedium und/oder einem Medium zur Kühlung bzw. Thermostatisie­ rung gefüllt ist oder von diesem durchströmt wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der zylindrische Schall­ wandler (1) aus mindestens zwei Schalensegmenten besteht, die gleichzeitig oder getrennt elektrisch angesteuert werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Be­ lagsbildung oder dem Anhaften von Gasbläschen der zylindrische Schallwandler (1) während der Messung oder zwischen den Messungen parallel zu seiner Symmetrieachse drehbar ist.