DE3016323C3 - Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer Flüssigkeit - Google Patents
Gerät zur akustischen Messung der Dichte einer FlüssigkeitInfo
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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-
Von dieser Endfläche wird eine Schallwelle reflek-
6» tiert, förderen Amplitude A\ gilt:
A1 = A1
{p,cr
wobei Λ, die Amplitude der Eingangs-Schallwelle ist, gr
und ρν die Dichten des Bezugskörpers und der
Flüssigkeit und cv und C1. die entsprechenden Schallgeschwindigkeiten
sind.
Nach Gleichung (1) ist die Dichte der Flüssigkeit
wobei Zr die bekannte akustische Impedanz UrCr 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,
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 Zn 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)
- 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.
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