DE3429367A1 - Method and apparatus for the continuous measurement of physical variables of state by means of ultrasound - Google Patents

Method and apparatus for the continuous measurement of physical variables of state by means of ultrasound

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DE3429367A1
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Abstract

A method for the continuous measurement of physical variables of state in preferably heterogeneous mixtures by means of ultrasound and an arrangement for implementing the method are proposed. The method consists in launching a high-frequency ultrasonic signal into the mixture to be measured, in receiving signals emanating therefrom, and in determining ultrasonic propagation variables in the mixture from the profile of the signals received. Said ultrasonic propagation variables are used to determine at least one physical state variable of the mixture. By gathering and processing the high-frequency ultrasonic signal, it is also possible to determine the frequency-dependent ultrasonic propagation variables. The angular dependence of the measured variables is detected by providing the measuring section with additional receivers which are at predefined angles to the reception direction. In this arrangement, the measuring section is surrounded by the mixture and has spatially known dimensions. It comprises a transmitter and a receiver or an ultrasonic unit which acts as a transmitter and receiver and is operated against a reflector.

Description

ter Entfernung gemessen wird.distance is measured.

Es ist ferner bekannt, mit Hilfe der sogenannten Sonografie Bilder aus dem Inneren von beispielsweise menschlichen Körpern zu gewinnen. Diese Verfahren arbeiten mit der Auswertung von Reflexionen zum Zweck, eine Abbildung eines optisch unzugänglichen Bereiches zu erhalten. Sie geben keinen Aufschluß auf den physikalischen Zustand von Gemischen, beispielsweise auf den Gasblasenanteil in einem Zweiphasengemisch von Flüssigkeit und Gas,oder von dem Mischungsverhältnis mehrerer Stoffe in einer biotechnischen Anlage. Dort ι ist erst durch Entnahme von Proben eine genauere Analyse möglich.It is also known, with the help of so-called sonography, images from the interior of, for example to attract human bodies. These procedures work with the evaluation of reflections for the purpose to obtain an image of an optically inaccessible area. They give no indication of the physical State of mixtures, for example on the gas bubble fraction in a two-phase mixture of Liquid and gas, or the mixing ratio of several substances in a biotechnical system. There ι a more precise analysis is only possible by taking samples.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur fortlaufenden Messung physikalischer Zustandsgrößen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches und die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anordnungsanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daßThe method according to the invention for the continuous measurement of physical state variables with the characteristic Features of the main claim and the arrangement according to the invention for performing the method with the characterizing features of the arrangement claim has the advantage that

ίΌ fortlaufend und ohne Probenentnahme eine kontinuierliche Überwachung und Bestimmung des Zustandes und der Zusammensetzung auch von heterogenen Gemischen möglich ist. Das überwachen derartiger Gemische ist für die Regelung und den Betrieb von beispielsweiseίΌ continuous monitoring and determination of the condition and composition of heterogeneous mixtures is possible continuously and without taking samples. The monitoring of such mixtures is for the control and operation of, for example

biotechnischen Anlagen z. B. bei der Fermentation | zum Erzielen eines gewünschten Ergebnisses wichtig. Bei den Gemischen in biotechnischen Anlagen handelt es sich häufig um optisch undurchsichtige Suspensionen oder Lösungen von mindestens teilweise organischen Ausgangssubstanzen,biotechnical systems z. B. in fermentation | important for achieving a desired result. The mixtures in biotechnical systems are often optically opaque suspensions or solutions of at least partially organic starting substances,

EPOCOPY Μ EPOCOPY Μ

die durch Zugabe von Enzymen oder Mikroorganismen chemisch umgesetzt werden. Diese Prozesse laufen in offenen oder geschlossenen Systemen ab, und als Prozeßparameter können nunmehr außer Druck, Temperatur und bestimmten Gaskonzentrationen weitere Parameter wie Dichte, Viskosität, Teilchengröße sowie Kompressibilität erfaßt und in die Regelung des Prozeßablaufes mit einbezogen werden. Ein offener Prozeß ist beispielsweise der Abbau von organischen Substanzen mittels Mikroorganismen in Kläranlagen. Die Schlammbelastung von Belebtschlammbecken kann nunmehr fortlaufend gemessen werden, ohne daß Proben entnommen werden müssen.which are chemically converted by adding enzymes or microorganisms. These processes run in open or closed systems, and the process parameters can now be pressure, temperature and certain Gas concentrations other parameters such as density, viscosity, particle size and compressibility are recorded and be included in the regulation of the process flow. An example of an open process is mining of organic substances by means of microorganisms in sewage treatment plants. The sludge load in activated sludge basins can now be measured continuously, without having to take samples.

Bei einer Kläranlage wird der biologische Prozeß durch die Entnahme einer Probe nicht wesentlich gestört. Bei Prozessen, die unter sterilen Bedingungen ablaufen, besteht bei Probenentnahmen die Gefahr, daß Keime eingeschleppt werden und der Prozeß damit umkippt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nunmehr eine fortlaufende Messung auch unter absolut sterilen Bedingungen. Aufgrund der gemessenen Werte können entweder die gewünschten physikalischen Zustandsgrößen eines Gemisches zur überwachung angezeigt werden, oder es können daraus Steuer- oder Regelgrößen für den Prozeß abgeleitet werden.In a sewage treatment plant, the biological process is not significantly disturbed by taking a sample. at Processes that run under sterile conditions, there is a risk of germs when taking samples be brought in and the process overturns. The inventive method now allows one continuous measurement even under absolutely sterile conditions. Based on the measured values, either the desired physical state variables of a mixture are displayed for monitoring, or control or regulation variables for the process can be derived from this.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß. das eingekoppelte Ultraschallsignal breitbandig ist und daß die davon ausgehenden Signale breitbandig empfan-™ gen werden, daß aufgrund der empfangenen Signale auch die frequenzabhängigen Ultraschallausbreitungsgrößen bestimmt werden und zur Ermittlung physikalischer Zustandsgrößen dienen. Dabei wird die Ausbreitung des Ultraschallsignales vorteilhafterweise mit einer Meß-One embodiment of the invention is that. the coupled ultrasonic signal is broadband and that the signals emanating therefrom are received broadband, because of the signals received too the frequency-dependent ultrasound propagation variables are determined and for determining physical state variables to serve. The propagation of the ultrasonic signal is advantageously carried out with a measuring

strecke gemessen, die einen Sender und mindestens einen Empfänger und Reflektor aufweist, welche sich innerhalbdistance measured, which has a transmitter and at least one receiver and reflector, which are within

copycopy

des zu messenden Gemisches befinden. Die Meßstrecke kann noch zusätzliche Empfänger aufweisen, deren Empfangsrichtungen unter einem vorgegebenen Winkel zur Meßstrecke stehen.of the mixture to be measured. The test section can also have additional receivers whose receiving directions are at a predetermined angle stand to the test section.

Es können nunmehr folgende Ultraschallausbreitungsgrößen, auch in einem Mehrphasengemisch, gemessen werden: The following ultrasound propagation quantities can now be measured, even in a multi-phase mixture:

Schallgeschwindigkeit, im Gemisch Dämpfung im GemischSpeed of sound, in the mixture Attenuation in the mixture

S challkennimpedan ζSound identification impedance ζ

winkelabhängige Streuung im Gemischangle-dependent scattering in the mixture

Da diese Größen, insbesondere bei Mehrphasengemischen, frequenzabhängig sind, können die Frequenzabhängigkeiten durch das breitbandige Senden und Empfangen gut miterfaßt werden.Since these variables are frequency-dependent, especially in the case of multiphase mixtures, the frequency dependencies can be well recorded by the broadband sending and receiving.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle hängt von der Dichte und der adiabatischen Kompressibilität des Mediums ab:The speed of propagation of a sound wave depends on the density and the adiabatic compressibility of the medium from:

Schallgeschwindigkeit c = /—Speed of sound c = / -

K - Kompressionsmodul der adiabatischen Kompressibilität
ρ - DichteK - compression modulus of adiabatic compressibility
ρ - density

Die Dämpfung der Schalldruckamplitude erfolgt durch Absorption und Streuung. Für die Absorption gilt der Zusammenhang :
A(x) = A(o)exp(-ax)The sound pressure amplitude is attenuated by absorption and scattering. The following relationship applies to absorption:
A (x) = A (o) exp (-ax)

A(x) - Schalldruckamplitude bei χ >A (x) - sound pressure amplitude at χ>

A(ο) - Schalldruckamplitude bei x=o χ - Ortskoordinate in AusbreitungsrichtungA (ο) - sound pressure amplitude at x = o χ - location coordinate in the direction of propagation

α - Dämpfungskoeffizient
35α - damping coefficient
35

EPOEPO

P1177/16.7.84 - # -P1177 / 7/16/84 - # -

Der'Dämpfungskoeffizient α ist u.a. frequenzabhängig: · α = 2na)2/3pc3
ω - Kreisfrequenz
η - Viskosität
5The damping coefficient α is frequency-dependent, among other things: α = 2na) 2 / 3pc 3
ω - angular frequency
η - viscosity
5

Aus dieser Beziehung ist bei bekannter Dichte, Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung die Viskosität des Mediums bestimmt.From this relationship, if the density is known, the speed of propagation and damping determines the viscosity of the medium.

Die Schallkennimpedanz ist eine weitere Größe, die die Material-0 eigenschaften eines Mediums beschreibt:
Z = c-p
Z - SchallkennimpedanzThe acoustic impedance is another variable that describes the material properties of a medium:
Z = cp
Z - acoustic impedance

Für die Reflexion einer Schallwelle gelten folgende Zusammenhänge: , , <VZ2)2 The following relationships apply to the reflection of a sound wave: ,, <V Z 2 ) 2

JT = Jo - JR JR - reflektierte Schallenergie J - transmittierte Schallenergie J T = J o - J R J R - reflected sound energy J - transmitted sound energy

J - eingekoppelte SchallenergieJ - coupled sound energy

Z1 - Schallkennimpedanz des 1. Mediums Z2 - Schallkennimpedanz des 2. MediumsZ 1 - characteristic acoustic impedance of the 1st medium Z 2 - characteristic acoustic impedance of the 2nd medium

Die gemessenen Ultraschallausbreitungsgrößen erlaubenThe measured ultrasound propagation quantities allow

aufgrund der physikalischen Zusammenhänge das Ableiten gewünschter physikalischer Zustandsgrößen wie z.B. Dichte oder Viskosität. Vorteilhafterweise erfolgt die Auswertung der Meßgrößen und das Ableiten der gewünschten physikalischen Zustandsgrößen rechnergestützt.the derivation of desired physical state variables such as Density or viscosity. Advantageously, the Evaluation of the measured variables and the derivation of the desired physical state variables with computer support.

Bei inhomogenen Gemischen wird ein Teil der Ultraschallenergie an den Grenzflächen der Phasen reflektiert, so daß es bei statistischer Verteilung der Phasen zu einer winkelabhängigen Streuung durch eine Vielzahl von Teilreflektionen an den Grenzflächen kommt. Zum einfachen Messen der winkelabhängigen Streuung dienen, wie schon aufgeführt, vorteilhaft mehrere Empfänger.In the case of inhomogeneous mixtures, part of the ultrasonic energy is reflected at the interfaces between the phases, see above that with a statistical distribution of the phases there is an angle-dependent scattering due to a large number of Partial reflections at the interfaces. Serve for the simple measurement of the angle-dependent scatter, As already mentioned, several recipients are advantageous.

P1177/16.7.84 - jBT -P1177 / 7/16/84 - jBT -

Somit erlaubt die winkelabhängige Streuung einen Rückschluß auf den Zustand des Mehrphasengemisches, beispielsweise auf den Gasblasengehalt bei Gemischen von Flüssigkeit und Gas# wie sie etwa bei einer alkoholisehen Gärung auftreten.Thus, the angle-dependent scattering allows a conclusion on the state of the multi-phase mixture, for example, on the gas bubble content in mixtures of liquid and gas # such as occur at a alkoholisehen fermentation.

Das Ableiten der gewünschten physikalischen Zustandsgrößen erfolgt wiederum vorteilhafterweise rechnergestützt. The deriving of the desired physical state variables is in turn advantageously computer-assisted.

Es ist jedoch ebenso möglich, daß zum Eichen der Messung die Ausbreitung des Ultraschallsignales in einem Gemisch mit bekannten Eigenschaften gemessen wird und daß die bei der Messung im unbekannten Gemisch gewonnenen Meßwerte mit den Eichmeßwerten verglichen werden und daraus die physikalischen Zustandsgrößen des unbekannten Gemisches abgeleitet werden.However, it is also possible that the propagation of the ultrasonic signal in a Mixture with known properties is measured and that obtained during the measurement in the unknown mixture Measured values are compared with the calibration measured values and from this the physical state variables of the unknown Mixture can be derived.

Das eingekoppelte hochfrequente Ultraschallsignal weist dabei in vorteilhafter Weise die Form einer hochfrequenten Schwingung mit zeitlich begrenzter Dauer auf. Eine einfache Möglichkeit seiner Erzeugung besteht darin, daß das eingekoppelte Ultraschallsignal die Impulsantwortfunktion eines piezoelektrischen Schwingers darstellt, an dessen Eingang Nadelimpulse gegeben werden.The coupled high-frequency ultrasonic signal has advantageously in the form of a high-frequency oscillation with a time-limited duration. One The simple way to generate it is that the coupled-in ultrasonic signal has the impulse response function of a piezoelectric oscillator, at the input of which needle pulses are given.

Die exakte Impulsantwort ergibt sich, wenn die Nadelimpulse in der Art von Delta-Funktionen sind.The exact impulse response is obtained when the needle impulses are in the manner of delta functions.

Wesentlich dabei ist, daß das Spektrum des eingekoppelten Ultraschallsignales breitbandig ist. Die Mitten- ] frequenz des Schwingers kann hierbei im Kilohertzbereich wie auch im Megahertzbereich liegen.It is essential that the spectrum of the coupled-in ultrasonic signal is broadband. The middle] The frequency of the oscillator can be in the kilohertz range as well as in the megahertz range.

Es ist jedoch ebenso möglich, den Sender mit kontinuier-However, it is also possible to operate the transmitter with continuous

lichen Sinusschwingungen oder modulierten Sinusschwingungen wie Impulsgruppen anzuregen.stimulate normal sinusoidal oscillations or modulated sinusoidal oscillations such as pulse groups.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht ferner darin, daß zusätzlich zu den Ultraschallgrößen der Druckι und/oder die Temperatur des zu untersuchenden Gemisches gemessen und zur Auswertung verwendet werden.A further development of the method according to the invention consists in that, in addition to the ultrasonic quantities the Druckι and / or the temperature of the to be examined Mixture can be measured and used for evaluation.

Somit können Prozesse exotherm oder endotherm, mit Druckerhöhung oder unter Druckminderung verlaufen,und die Meßergebnisse werden nicht durch Druck oder Temperaturänderungen verfälscht, denn Druck und Temperatur verändern die Schallausbreitung. Das Meßverfahren ist dadurch nicht auf unter konstanten Bedingungen ablaufende Prozesse eingeschränkt.Processes can thus be exothermic or endothermic, with an increase in pressure or with a decrease in pressure, and the measurement results are not falsified by pressure or temperature changes, because pressure and temperature change the propagation of sound. As a result, the measuring process is not based on constant conditions Processes restricted.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet werden, daß Bewegungsgrößen des Gemisches gemessen werden. Dieses sind beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit oder auch die Umdrehungsgeschwindigkeit eines Durchmischers, beispielsweise eines Rührers, wie sie in Kläranlagen für aerob ablaufende Prozesse verwendet werden.Furthermore, the method according to the invention can to this effect be trained so that movement quantities of the mixture are measured. These are for example the flow rate or the speed of rotation of a mixer, for example a stirrer as used in sewage treatment plants for aerobic processes.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Ultraschallelemente der Meßstrecke fortlaufend oder intermittierend gereinigt werden, was vorzugsweise mittels Leistungsultraschall erfolgt.Another advantageous embodiment of the invention is that the ultrasonic elements of the measuring section continuously or intermittently cleaned, preferably using power ultrasound he follows.

Bisher war bei biotechnischen Prozessen der Bewuchs der Meßsonden oder bei Prozessen allgemein die Anlagerung von Fremdstoffen oder Gasblasen an die Meßsonden *" ein Problem, denn dadurch wurden nach kurzer Zeit dieUp to now, in biotechnical processes there has been fouling on the measuring probes or in processes in general there has been an accumulation foreign matter or gas bubbles on the measuring probes * "a problem, because after a short time the

Elf" '4s.Eleven "'4s.

Meßergebnisse erheblich verfälscht. Eine mechanische Reinigung der Meßsonden während des Prozesses ist jedoch oftmals aufwendig und bei unter sterilen Bedingungen ablaufenden Prozessen unmöglich. Das zusätzliche Beschallen mit Leistungsultraschall gewährleistet unter allen Prozeßbedingungen stets gleichbleibende Meßergebnisse. Dabei kann das Reinigen entweder kontinuierlich erfolgen oder aber in Abständen durchgeführt werden, was durch die Eigenart des Prozesses bestimmt wird.Measurement results significantly falsified. A mechanical cleaning of the measuring probes during the process is, however often time-consuming and impossible with processes running under sterile conditions. The additional sound with power ultrasound guarantees constant measurement results under all process conditions. The cleaning can be done either continuously or at intervals, what is determined by the nature of the process.

Bei der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist günstigerweise eine von dem zu messenden Gemisch umgebene Meßstrecke mit bekannten räumlichen Abmessungen vorhanden, die einen Sender und mindestens einen Empfänger enthält.In the arrangement for carrying out the method, one of the mixture to be measured is expedient Surrounded measuring section with known spatial dimensions available, the one transmitter and at least one Contains recipient.

Dabei können Sender und Empfänger von einer in beiden Richtungen arbeitenden Ultraschalleinheit gebildet werden, wobei mindestens ein Reflektor in räumlich definierter Zuordnung dazu vorhanden ist. Enthält die Meßstrecke einen Sender und gegenüberliegend einen Empfänger, so wird das transmittierte Ultraschallsignal gemessen. Bilden Sender und Empfänger dagegen eine Ultraschalleinheit, die in beiden Richtungen arbeitet, so kann ein Meßimpuls gegen einen Reflektor gesendet werden, und es wird als reflektiertesültraschallecho gemessen. The transmitter and receiver can be formed by an ultrasonic unit that works in both directions, at least one reflector is present in a spatially defined association with it. Contains the measuring section a transmitter and opposite a receiver, the transmitted ultrasonic signal is measured. If, on the other hand, the transmitter and receiver form an ultrasonic unit that works in both directions, in this way a measuring pulse can be sent against a reflector and it is measured as a reflected ultrasonic echo.

Um auch die winkelabhängige Streuung an den Grenzflä-In order to also reduce the angle-dependent scattering at the interfaces

chen der Phasen eines inhomogenen Mehrphasengemisches zu erfassen, werden zusätzliche Empfänger vorgesehen, die unter vorgegebenen Winkeln von der Meßstrecke stehen. to record the phases of an inhomogeneous multiphase mixture, additional receivers are provided, which are at predetermined angles from the measuring section.

Die Reinigung mittels Leistungsultraschall erfolgt beiThe cleaning by means of power ultrasound takes place at

P1177/16.7.84 ~Χ~ P1177 / 7/16/84 ~ Χ ~ 3 A 2 9 3 63 A 2 9 3 6

einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Leistungsultraschallschwinger an die Ultraschallelemente der Meßstrecke so angekoppelt sind, daß ihre Schwingungsebene senkrecht zur Schwingungsebene der Meßsignale liegt. Dadurch tritt eine ge-• ' ringstmögliche Verkopplung der beiden Ultraschallsignale auf. Auch wird die Frequenz der Leistungsultraschallschwinger in einem anderen, meist niederen Bereich liegen.an advantageous embodiment of the invention in that that the power ultrasonic transducers are coupled to the ultrasonic elements of the measuring section in such a way that that their plane of vibration is perpendicular to the plane of vibration of the measurement signals. This results in a • 'The closest possible coupling of the two ultrasonic signals on. The frequency of the power ultrasonic transducers is also in a different, mostly lower one Area lie.

Es kann beispielsweise vor jeder Messung mit Leistungsultraschall gereinigt werden, so daß Messen und Reinigen nicht gleichzeitig erfolgt und dadurch keine Beeinflussung möglich ist. Es ist jedoch genau so möglieh, gleichzeitig zu messen und zu reinigen und gegebenenfalls den Einfluß des Leistungsultraschalles der Reinigung meßtechnisch zu berücksichtigen.For example, it can be cleaned with power ultrasound before each measurement, so that measurement and cleaning can be performed does not take place at the same time and therefore no influence is possible. However, it is just as possible to measure and clean at the same time and, if necessary, the influence of the power ultrasound of the Cleaning to be taken into account in terms of measurement technology.

Die Meßstrecke kann dabei im Inneren eines Reaktionsgefäßes oder einer Leitung angeordnet sein, bei denen die physikalischen Zustandsgrößen des enthaltenen Gemisches im Verlauf des Reaktionsprozesses gemessen werden, sie kann jedoch auch in einem von dem zu messenden Gemisch durchströmten Bypass angeordnet sein. Bei beiden Anordnungen ist eine fortlaufende Messung möglich, ohne daß der Prozeß durch die Messung kontaminiert wird.The measuring section can be arranged in the interior of a reaction vessel or a line in which the physical state variables of the mixture contained are measured in the course of the reaction process, however, it can also be arranged in a bypass through which the mixture to be measured flows. By both Arrangements, a continuous measurement is possible without the process being contaminated by the measurement will.

Soll beispielsweise in einem großvolumigen Reaktionsbehälter gemessen werden, so kann vorteilhafterweiseShould, for example, in a large-volume reaction vessel can be measured advantageously

die Meßstrecke im Innern des Reaktionsgefäßes bewegbar angeordnet sein. Diese Anordnung erlaubt das Messen eines Zustandsprofiles innerhalb des Reaktionsbehälters .
35the measuring section can be arranged movably in the interior of the reaction vessel. This arrangement allows a condition profile to be measured within the reaction vessel.
35

Eine Ausführungsform der Erfindung für den mobilen Einsatz besteht darin, daß die Meßstrecke als eine an einer Halterung befindliche Sonde ausgebildet ist.An embodiment of the invention for mobile use is that the measuring section as a is formed on a holder located probe.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and in the description below explained in more detail.

Fig. 1 bis Fig. 4 zeigen die Anordnung von Sender, Empfänger und Reflektor bei Transmissions- und Reflexionsmessung ,FIGS. 1 to 4 show the arrangement of transmitter, receiver and reflector in the case of transmission and reflection measurements ,

Fig. 5 zeigt die Anordnung von Sender und Empfänger zur Messung auch der. winkelabhängigen Streuung, Fig. 6 zeigt eine ültraschalleinheit mit einem Leistungsultraschallschwinger zur Reinigung, Fig. 7 zeigt einen Meßaufbau für eine rechnergestützte Messung.Fig. 5 shows the arrangement of the transmitter and receiver for measuring also the. angle-dependent scattering, 6 shows an ultrasonic unit with a power ultrasonic transducer for cleaning, Fig. 7 shows a measurement setup for a computer-aided measurement.

Beschreibung der AusführungsbexspieleDescription of the execution games

In den Fig. 1 und 2 ist der prinzipielle Aufbau einer Meßstrecke für Transmissionsmessungen dargestellt. Ein Generator 10 ist an einen Sender 11 angeschlossen, und ihm gegenüberliegend befindet sich ein Empfänger 12, der mit einem Verstärker 13 verbunden ist. Die Senderichtung des Ultraschallsignales befindet sich dabei in Fig. 1 axial zu einem Behälter und in Fig. 2 radial. Alle für die Auswertung der gemessenen Signale erforderlichen Anordnungen sind dabei nicht gezeigt.1 and 2 show the basic structure of a measuring section for transmission measurements. A generator 10 is connected to a transmitter 11, and opposite it is a receiver 12 which is connected to an amplifier 13. the The transmission direction of the ultrasonic signal is located axially to a container in FIG. 1 and in FIG. 2 radial. All the arrangements required for evaluating the measured signals are not shown.

In den Fig. 3 und 4 wird anstelle gesonderter Sender undIn Figs. 3 and 4, instead of separate transmitters and

EPO COPYEPO COPY

P1177/16.7.84 -44- ο / ο η ο r-7P1177 / 7/16/84 -44- ο / ο η ο r-7

^ 3 4 ζ y 3 ο /^ 3 4 ζ y 3 ο /

Empfänger eine Ultraschalleinheit 14 verwendet, dieReceiver uses an ultrasound unit 14 that

in einer Einheit sowohl senden .als auch empfangen kann,' die Signale gegen einen Reflektor 15 sendet und die davon reflektierten Signale empfängt. Die Ultraschalleinheit 14 ist dabei an ein Steuergerät 16 angeschlossen, das sowohl die zur Messung dienenden hochfrequenten Ultraschallsignale sendet als sie danach auch wieder empfängt und verstärkt. Wiederum sind alle für die Auswertung erforderlichen Anordnungen fortgelassen. ' 10can both send and receive in one unit, ' sends the signals towards a reflector 15 and receives the signals reflected therefrom. The ultrasound unit 14 is connected to a control unit 16, which both sends the high-frequency ultrasonic signals used for measurement and then receives them again and reinforced. Again, all the arrangements required for the evaluation are omitted. ' 10

In der Fig. 5 ist eine Anordnung zur Messung auch der winkelabhängigen Streuung an denIn Fig. 5 is an arrangement for measuring the angle-dependent scatter at the

Partikeln eines Mehrphasengemisches dargestellt.Particles of a multiphase mixture shown.

Eine Ultraschalleinheit 14 ist einem Reflektor 15 gegenüberliegend angeordnet. Unter einem Winkel 3 von der Richtung Ultraschalleinheit - Reflektor befindet sich ein zweiter Empfänger 12' und unter dem Winkel P1, ein dritter Empfänger 12". Die Ultraschalleinheit empfängt die reflektierten Signale lediglich aus der Richtung des Reflektors 15. Tritt an den Phasengrenzen eines Mehrphasengemisches nunmehr StreuungAn ultrasonic unit 14 is arranged opposite a reflector 15. At an angle 3 from the direction of the ultrasonic unit - reflector there is a second receiver 12 'and at the angle P 1 , a third receiver 12 ". The ultrasonic unit receives the reflected signals only from the direction of the reflector 15. Occurs at the phase boundaries of a multiphase mixture now spread

auf, so würde diese von der Ultraschalleinheit 14 nicht vollständig erfaßt.on, this would not be completely detected by the ultrasonic unit 14.

Sind jedoch zusätzliche Empfänger unter verschiedenen Winkeln von der Strecke Ultraschalleinheit - Reflektor vorhanden, so können diese jeweils den in ihre Empfangsrichtung gestreuten Anteil des Ultraschallsignales aufnehmen. Daraus können dann in nicht gezeigten Auswertungsgeräten Größen des physikalischen Zustands des Mehrphasengemisches ermittelt werden. Beispielsweise kann daraus abgeleitet werden, wie groß die Teilchen der jeweiligen Phase sind.However, there are additional receivers at different angles from the ultrasonic unit - reflector present, they can each contain the portion of the ultrasonic signal that is scattered in their receiving direction take up. From this, variables of the physical state can then be used in evaluation devices (not shown) of the multiphase mixture can be determined. For example, it can be used to deduce how large it is are the particles of the respective phase.

Eine Streuung tritt verstärkt auf, wenn die Partikel-Scattering occurs more intensely when the particle

EPO COPYEPO COPY

P1177/16.7.84 -TA- o/onomP1177 / 7/16/84 -TA- o / onom

größe unterhalb der Wellenlänge des gesendeten Ultraschallsignales liegt und die Unterschiede der Schallkennimpedanzen der Medien groß sind.size below the wavelength of the transmitted ultrasonic signal and the differences in the characteristic acoustic impedances of the media are large.

Die Fig. 6 zeigt eine Ultraschalleinheit 14 und einen senkrecht dazu angeordneten Leistungsschwinger 17, der den zur Reinigung der Ultraschalleinheit 14 dienenden Leistungsultraschall erzeugt.Fig. 6 shows an ultrasonic unit 14 and a Power oscillator 17 arranged perpendicular to it, which is used for cleaning the ultrasonic unit 14 Power ultrasound generated.

Ohne eine Reinigung würde sich die Austrittsfläche 18, die aktive Schwingerfläche, bei einem biotechnologischen Prozeß durch Bewuchs oder Gasblasenbildung zusetzen. Dadurch würde das Meßergebnis verfälscht. Bei einem Besatz mit Gasblasen würde nur noch ein geringfügiger Anteil des zur Messung dienenden Ultraschallsignales in das Medium eingekoppelt.Without cleaning, the exit surface 18, the active transducer surface, clog in a biotechnological process through growth or gas bubble formation. This would falsify the measurement result. In the case of an occupation with gas bubbles, only a minor one would occur Part of the ultrasonic signal used for the measurement coupled into the medium.

In der Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer vollständigen Meßanordnung gezeigt. In einem Behälter 25 befindet sich eine Meßstrecke 26. Die Meßstrecke 26 enthält eine Ultraschalleinheit 14, die mit einem Reflektor 15 Zusammenarbeit. Zur Reinigung ist an die Ultraschalleinheit 14 und an den Reflektor ein Leistungsschwinger 17 angekoppelt. In Fig. 7 an embodiment of a complete measuring arrangement is shown. Located in a container 25 a measuring section 26. The measuring section 26 contains an ultrasonic unit 14, which is equipped with a reflector 15 collaboration. A power oscillator 17 is coupled to the ultrasonic unit 14 and to the reflector for cleaning.

Die Ultraschalleinheit 14 wird von einem Steuergerät angesteuert, das sowohl die Ultraschallsignale für den Sendebetrieb erzeugt als auch die empfangenen Signale verstärkt. Damit die empfangenen Signale rechnergestützt ausgewertet werden können, ist an das Steuergerät 16 ein A/D-Wandler 30 angeschlossen. Dem A/D-Wandler 30 sind ferner noch die Ausgangsgrößen eines Temperaturmessers 27 und eines Druckmessers 28 zugeführt, die Druck und Temperatur des zu messenden Mediums aufnehmen. Die Ausgangssignale des A/D-Wand-The ultrasonic unit 14 is controlled by a control unit, which both the ultrasonic signals for generates the transmission mode as well as amplifies the received signals. So that the received signals can be evaluated with the aid of a computer, an A / D converter 30 is connected to the control device 16. To the A / D converter 30 are also the output variables of a temperature meter 27 and a pressure meter 28 supplied to record the pressure and temperature of the medium to be measured. The output signals of the A / D wall

P1177/16.7.84 - ** -P1177 / 7/16/84 - ** -

3A293673A29367

1 lers 30 werden einem Prozeßrechner 29 zugeführt, mit dessen Hilfe daraus die gewünschten physikalischen Zustandsgrößen errechnet werden. Zur Anzeige der physikalischen Zustandsgrößen sowie zum Gewinnen von Regel-1 lers 30 are fed to a process computer 29, with whose help the desired physical state variables are calculated from this. To display the physical State variables as well as to obtain control

5 oder Steuergrößen ist eine mit dem Prozeßrechner verbundene Ein- und Ausgabeeinheit 31 vorhanden.5 or control variables, there is an input and output unit 31 connected to the process computer.

Claims (1)

UII'L-INC.UII'L-INC. PATENTANWALT GREGOR SCHUSTERPATENT ADVERTISER GREGOR SCHUSTER IIJKOI'LAN Ι'ΛΙΙΝΙ ΛΙ IUkNIY 7(K)U .ilUi iCARI I .·--·-IIJKOI'LAN Ι'ΛΙΙΝΙ ΛΙ IUkNIY 7 (K) U .ilUi iCARI I. - - - P1177P1177 16.7.1984July 16, 1984 Verfahren und Vorrichtung zur fortlaufenden Messung physikalischer Zustandsgrößen mittels UltraschallMethod and device for the continuous measurement of physical state variables by means of ultrasound SchutzansprücheProtection claims 1. Verfahren zur fortlaufenden Messung physikalischer Zustandsgrößen in vorzugsweise heterogenen Gemischen mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß in das zu messende Gemisch ein * hochfrequentes Ultraschallsignal eingekoppelt wird, daß davon ausgehende Signale empfangen werden, daß aufgrund der empfangenen Signale Ultraschallausbreitungsgrößen im Gemisch bestimmt werden und daß daraus mindestens eine physikalische Zustandsgröße des Gemisches ermittelt wird.·1. Procedure for continuous measurement of physical State variables in preferably heterogeneous mixtures by means of ultrasound, characterized in that that a * high-frequency ultrasonic signal is coupled into the mixture to be measured, that proceeding therefrom Signals are received that due to the received signals ultrasonic propagation quantities can be determined in the mixture and that at least one physical state variable of the mixture is determined therefrom will.· 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Ultraschallsignal breitbandig •ist und daß die davon ausgehenden Signale breitbandig empfangen werden, daß aufgrund der empfangenen Signale auch die frequenzabhängigen Ultraschallausbreitungsgrößen bestimmt werden und zur Ermittlung physikalischer Zustandsgrößen dienen.2. The method according to claim 1, characterized in that that the coupled ultrasonic signal is broadband • and that the signals emanating from it are broadband are received that due to the received signals also the frequency-dependent ultrasonic propagation quantities are determined and are used to determine physical state variables. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitung des Ultraschallsig-3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the propagation of the ultrasonic signal EPO COPYEPO COPY P1177/16.7.84 - 2 -P1177 / 7/16/84 - 2 - nales mit einer Meßstrecke gemessen wird, die einen Sender (11) und mindestens einen Empfänger (12) und einen Reflektor (15) aufweist, welche sich innerhalb des zu messenden Gemisches im abgeschlossenen oder offenen Reaktionsbehältnis befindet.nales is measured with a measuring section, which has a transmitter (11) and at least one receiver (12) and a reflector (15), which is located within the mixture to be measured in the closed or open reaction vessel. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eichen der Messung die Ausbreitung des Ultraschallsignales in einem Gemisch mit bekannten Eigenschaften gemessen wird, und daß die bei der Messung im unbekannten Gemisch gewonnenen Meßwerte mit den Eichmeßwerten verglichen werden und daraus die physikalischen Zustandsgrößen des unbekannten Gemisches abgeleitet werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that to calibrate the measurement, the propagation of the ultrasonic signal in one Mixture with known properties is measured, and that when measuring in the unknown mixture The measured values obtained are compared with the calibrated measured values and the physical state variables therefrom of the unknown mixture can be derived. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingekoppelte Ultraschallsignal die Form eines hochfrequenten Pulses, d.h. einer hochfrequenten Schwingung mit zeitlicher Begrenzung aufweist.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the coupled ultrasonic signal the form of a high-frequency pulse, i.e. a high-frequency oscillation with a temporal Has limitation. 6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Ultraschallgrößen der Druck und/oder die Temperatur des zu untersuchenden Gemisches gemessen und zur Auswertung verwendet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that in addition to the Ultrasonic parameters of the pressure and / or the temperature of the mixture to be examined are measured and can be used for evaluation. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungsgrößen des Gemisches gemessen werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that movement quantities of the Mixture can be measured. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorhandenen Durchmischern die Bewegungsgrößen des Mischerelementes, beispielsweise eines Rührers, gemessen werden.8. The method according to claim 7, characterized in that with existing mixing the movement variables of the mixer element, for example one Stirrer to be measured. COPYCOPY P1177/16.7.84 - 3 -P1177 / 7/16/84 - 3 - 9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung der physikalischen Zustandsgrößen des Gemisches aus den von dem eingekoppelten Ultraschallsignal empfangenen Signalen rechnergestützt erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the derivation of the physical State variables of the mixture from the received from the coupled ultrasonic signal Signals done with computer support. 10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß des Schallfeldes auf die Ausbreitungskenngrößen über Referenzmessungen bestimmt und quantitativ korrigiert wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the influence of the sound field is determined on the dispersion parameters via reference measurements and corrected quantitatively. 11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallelemente der Meßstrecke fortlaufend oder intermittierend gereinigt werden.11. The method according to claim 3, characterized in that the ultrasonic elements of the measuring section continuously or cleaned intermittently. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigung mittels Leistungsultraschall erfolgt. 12. The method according to claim 11, characterized in that that the cleaning takes place by means of power ultrasound. 13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem zu messenden Gemisch umgebene Meßstrecke (26) mit bekannten räumlichen Abmessungen vorhanden ist, die einen Sender (11) und mindestens einen Empfänger (12) enthält.13. Arrangement for performing the method according to the preceding claims, characterized in that that a measuring section (26) with known spatial dimensions and surrounded by the mixture to be measured there is a transmitter (11) and at least includes a receiver (12). 14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger von einer in beiden Richtungen arbeitenden Ultraschalleinheit (14) gebildet werden, und daß mindestens ein Reflektor (15) in räumlich definierter Zuordnung dazu vorhanden ist.14. The arrangement according to claim 13, characterized in that the transmitter and receiver of one in both directions working ultrasonic unit (14) are formed, and that at least one reflector (15) in spatially defined assignment is available. 15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke mindestens einen zusätzlichen Empfänger (12') aufweist, dessen Empfangs-15. Arrangement according to claim 13 or 14, characterized in that that the measuring section has at least one additional receiver (12 ') whose reception P1177/16.7.84 - 4 -P1177 / 7/16/84 - 4 - richtung unter einem vorgegebenen Winkel (ß) zur Meßstrecke steht.direction is at a given angle (ß) to the measuring section. 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reinigung der Ultraschallelemente der Meßstrecke Leistungsultraschallschwinger vorhanden sind.16. Arrangement according to one of claims 13 to 15, characterized in that for cleaning the ultrasonic elements power ultrasonic transducers are present in the test section. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsultraschallschwinger (17) an die Ultraschallelemente der Meßstrecke (26) so angekoppelt sind, daß ihre Schwingungsebene senkrecht zur Schwingungsebene der Meßsignale liegt.17. The arrangement according to claim 16, characterized in that the power ultrasonic transducer (17) to the Ultrasonic elements of the measuring section (26) are coupled so that their plane of oscillation is perpendicular to Vibration plane of the measurement signals lies. 18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (26) im Innern eines Reaktionsgefäßes (25) oder einer Leitung angeordnet ist, bei denen die physikalischen Zustandsgrößen des Gemisches im Verlauf des Reaktionsprozesses gemessen werden.18. Arrangement according to one of claims 13 to 17, characterized characterized in that the measuring section (26) is inside a reaction vessel (25) or a line is arranged, in which the physical state variables of the mixture in the course of the reaction process be measured. 19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (26) im Innern des Reaktionsgefäßes (25) bewegbar angeordnet ist.19. Arrangement according to claim 18, characterized in that that the measuring section (26) is movably arranged in the interior of the reaction vessel (25). 20. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßs.trecke (26) in einem von dem zu messenden Gemisch durchströmten . Bypass angeordnet ist.20. Arrangement according to one of claims 13 to 17, characterized characterized in that the measuring section (26) flowed through in one of the mixture to be measured. Bypass is arranged. ■■ 21. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (26) für den mobilen Einsatz als eine an einer Halterung befindliche Sonde ausgebildet ist.21. Arrangement according to one of claims 13 to 19, characterized in that the measuring section (26) for the mobile use is designed as a probe located on a holder.
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