DE4143509A1 - Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme in Rohren mit kleinem Durchmesser - Google Patents
Vorrichtung zur Messung kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme in Rohren mit kleinem DurchmesserInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung
kleiner Flüssigkeits- und Partikelströme in einem Rohr mit
kleinem Innendurchmesser nach dem Ultraschall-Doppler-Prinzip
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Ultraschall-Doppler-Strömungsmeßvorrichtungen sind
bekannt (vgl. DE 89 03 288 U1; Zeitschrift "Medical and
Biological Engineering", 1975, S. 59-64). Dabei werden als
Material für das Rohr Kunststoff oder Metall vorgeschlagen.
Die mit Fourier-Analyse ausgewerteten Differenzfrequenz- oder
Doppler-Signale weisen bei Verwendung eines Metallrohrs
jedoch eine geringe Höhe und große Breite auf, also ein
ungünstiges Nutz-/Stör-Signal-Verhältnis, so daß die
Meßgenauigkeit mit Metallrohren völlig unbefriedigend ist.
Gleiches gilt für die gängigen Kunststoffe, die zu einer
erheblichen Schalldämpfung führen bei gleichzeitiger
Zerstreuung des Ultraschall-Strahls.
Auch ist bereits eine Vorrichtung zur Messung der
Strömungsgeschwindigkeit von Cyanoacrylat-Klebstoff und
anaeroben Klebstoffen nach der Ultraschall-Doppler-Methode
vorgeschlagen worden (DE 40 08 037 A1). Cyanoacrylat und
anaerobe Klebstoffe haften an fast allen anderen Materialien.
Auch härtet anaerober Klebstoff in Gegenwart von Metallen
sofort aus. Darüber hinaus werden die meisten Kunststoffe
durch in diesen Klebstoffen enthaltene Lösungsmittel erweicht
oder zersetzt.
Demgemäß werden Leitungen für diesen Klebstoff praktisch
ausschließlich aus Polyethylen, Polytetrafluorethylen oder
anderen Fluorkohlenstoff-Polymeren hergestellt. Demgemäß
besteht auch das Meßrohr bei dieser bekannten Vorrichtung aus
diesem Material. Meßrohre aus Polyethylen,
Polytetrafluorethylen und anderen Fluorkohlenstoff-Polymeren
ergeben jedoch ebenfalls keine brauchbaren Doppler-
Meßsignale.
Aus der Zeitschrift "Nature Physical Science" Bd. 242, 1973,
Seiten 12 und 13, ist ein Meßrohr für eine Ultraschall-
Doppler-Strömungsmeßvorrichtung bekannt, das aus "Plexiglas",
also Polymethylmethacrylat besteht. Polymethylmethacrylat
weist eine Oberflächenenergie von 40,2 mN/m auf. Auch damit
lassen sich keine ausreichend scharfen Meßsignale erhalten.
Um bei der Strömungsmessung von Aufschlämmungen scharfe
Meßsignale zu erhalten, ist es aus der US-PS 4,413,531
bekannt, aus dem Mischer kommende Doppler-Signale mit einer
relativ aufwendigen Schaltanordnung zu optimieren.
Bei der Herstellung von Silicium-Wafern ist es von großer
Bedeutung, daß optimale geometrische Abmessungen
(Planschliff) eingehalten werden, damit die anschließenden
Arbeitsgänge, z. B. zur Chip-Herstellung, exakt durchgeführt
werden können. Demgemäß werden Wafer einer
Oberflächenbehandlung durch Läppen unterzogen.
Der Läppmaschine wird im Kreislauf ein Läppmittel zugeführt,
das aus einer wäßrigen Aufschlämmung harter Teilchen, dem
sog. Läppkorn, besteht, meist feine Diamant- oder Korund-
Teilchen bestimmter Größe zwischen 0,1 und 30 µm.
Der Läpprozeß ist von einer genauen Zufuhrmenge des Läppkorns
in bestimmter Aufschlämmungskonzentration abhängig. Ein
Absetzen der Läppkörner kann zur Verstopfung der Leitungen,
also schnell zu einem Trockenlauf der Maschine führen und
damit zur Beschädigung der Maschine und der mit ihr
hergestellten Teile. Ferner ändert sich die
Aufschlämmkonzentration des im Kreislauf geführten
Läppmittels mit der Zeit z. B. durch Verdunstung. Der stetige
Umlaufbetrieb des Läppkorns führt aber zu einer höheren
Konzentration und zu einem höheren Abrieb der Stellorgane,
Stauscheiben, Blenden u. dgl. Einrichtungen im
Läppmittelkreislauf. Demgemäß besteht seit langem ein großes
Bedürfnis, die Zufuhrmenge des Läppkorns bzw. bei
vergleichbaren Oberflächenfeinbearbei
tungsverfahren, wie dem Honen, Schleifen oder Polieren, die Hon-
Schleif- oder Poliermittelzufuhr exakt zu überwachen bzw. zu
regeln. Dies wird bisher ausschließlich durch menschliche Erfah
rung und Beobachtungsgabe durchgeführt. Eine Meßmethode zur
Bestimmung des Feststoffgehaltes, also z. B. der Läppkornkonzen
tration, die im allgemeinen 25-30% beträgt, gibt es demgegen
über nicht. Das Besondere einer Oberwachung eines Läppmittels
besteht also darin, daß nicht die Strömungsgeschwindigkeit der
Aufschlämmung als solche gemessen, sondern die Feststoffpartikel
gezählt werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschall-Doppler-Meßvor
richtung für kleine Flüssigkeitsströme in Rohren mit kleinem
Querschnitt bereitzustellen, die ohne größeren apparativen Auf
wand scharfe Doppler-Meßsignale nur von Partikeln liefert, und
zwar auch dann, wenn sich diese hinsichtlich ihrer akustischen
Ultraschall-Impedanz nur geringfügig vom Trägermedium unter
scheiden, wie Rußflocken in einem Glas oder Öltropfen in Wasser.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten
Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen 2 bis 7 sind bevor
zugte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Das erfindungsgemäße Meßrohr kann einen kreisförmigen oder pris
matischen Innenquerschnitt aufweisen. Ein prismatischer, also
z. B. rechteckiger und insbesondere ein sechseckiger Innenquer
schnitt ist dabei vorzuziehen. Wenn die Rohrwandung kreisförmig
gebogen ist, ergeben sich nämlich zusätzlich Probleme mit der
Schallfeldgeometrie. Denn diese ist meist gerade und mangels
Leistungsabgabe beim Sender bzw. geringer Empfindlichkeit beim
Empfänger-Sensorelement größer als erforderlich konstruktiv
ausgeführt. Damit kommt es zu unterschiedlichen Brechungen des
einzelnen Schallstrahls, d. h. einer Zerstreuung der Schallkeule,
die daher schlechter ausgewertet werden kann. Bei einem Prisma
tischen Innenquerschnitt des Meßrohres sind diese Probleme be
seitigt, da eine ebene Einstellfläche in das Meßrohr gebildet
wird.
Die Leitfrequenz vom Sendeschallwandler wird üblicherweise mit
einem Einstrahlwinkel von 45° gegen die Zentralachse des Meßroh
res eingestrahlte. Wenn jedoch bei einem Meßrohr mit einem Innen
durchmesser von 0,5 bis 10 mm der Einstrahlwinkel nach folgender
Bedingung eingestellt wird
worin n der Innendurchmesser in mm ist, wird ein wesentlich
besser auszuwertendes Dopplersignal erhalten. Der Schallstrahl
bleibt gebündelt, Brechungen und Zerstreuungen sind gering.
Diese Bedingung stützt sich auf Versuche, die folgende optimalen
Einstrahlwinkel in Abhängigkeit vom Rohrinnendurchmesser ergeben
haben: ca. 50° bei 1 mm, ca. 40° bei 3 mm, ca. 30° bei 6 mm und
ca. 25 bis 30° bei 8 mm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Messung sehr kleiner
Partikelströme bzw. niedriger Strömungsgeschwindigkeiten bis
hinab zu Bruchteilen von Millimeter/sec bzw., bezogen auf das
Flüssigkeitsvolumen bis hinab auf Nanoliter/sec sowie zur Zäh
lung einzelner Partikel mit einer Größe von 1 µm und weniger
geeignet.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Anwendung
finden zur Mengenbestimmung von punktweise aufgetragener Löt
creme und zwar von Weichlot und Silber-Hartlötpasten für die
elektrische Leiterplattenfertigung, für Flußmittel auf Kolopho
niumbasis, für Wärmeleitpasten auf Silicon- oder siliconfreier
Basis.
Darüber hinaus ist die Erfindung anwendbar zur Mengenbestimmung
von Klebstoffen, wie Kaltleim, Heißleim, Cyanoacylate, anaerobe
Klebstoffe, Urethanacrylat-Kleber, Urethanacrylat-Harz (SMD-
Kleber), Polyurethane, Epoxyharze und Methacrylatharz auch in
eingedickter und thixotroper Masse. D.h. die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit einer Oberflächenenergie von < 200 mN/m an
der Innenwand des Meßrohres ist auch geeignet für Fluide
mit sog. anormalem Newton′schen Fließverhalten.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Mengenbestim
mung von Wachs sowie zur Mengenbestimmung von Farben und Lacken
geeignet, beispielsweise chemischen Produkten auf Latex-Basis,
wie sog. Lötstoppmasken für elektrische Leiterplatten, Kunst
harzlacke und Farben, wie Schutzüberzüge für elektrische Leiter
platten, Kleinteile usw. sowie für Druckereifarben und -lacke
beim Buch- und Offset-Ein- und Mehrfarbendruck, also zur Mengen
kontrolle des zu- und abfließenden Farbstoffpigments.
Darüber hinaus kann die Erfindung zur Mengenbestimmung bei der
Öl- und Fettabgabe eingesetzt werden, sowie zur Mengenmessung
und Strömungsüberwachung von Hydrauliköl und bei der Ölumlauf
schmierung) auch in Kühlkreisläufen.
Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Mengenbestimmung
von Additiven z. B. Korrosionsinhibitoren in Wasser geeignet,
aber auch zur Mengenbestimmung und als Meldevorrichtung für
Gasblasen in Flüssigkeiten, beispielsweise Kohlendioxid in Was
ser oder Schaum in Leitungen, wie Natronlaugeleitungen. Die
Mengenbestimmung kann dabei in der Größenordnung von Milligramm
oder Mikroliter in Bruchteilen einer Sekunde bzw. Milli
liter/Sekunde oder Liter/Std. liegen.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von
Verunreinigungen eingesetzt werden. So ist es bekannt, daß
Schmieröl nur unmittelbar nach der Herstellung eine optimale
Reinheit, d. h. eine verschwindend kleine Zahl von Fremdpartikeln
aufweist, beispielsweise 1 bis 2 Partikel mit einer Teilchen
größe unter 5 um auf 100 Milliliter. Durch Umfüllen und Trans
port gelangen jedoch zunehmend mehr Feststoffe in einen frischen
Schmierstoff und damit beispielsweise in ein Wälzlager. Schließ
lich liefert eine Maschine durch Verschleiß selbst Fremdparti
kel, die ebenfalls die Lebensdauer eines Lagers herabsetzen.
Diese Feststoffe werden bisher durch Feinstfilterung abgetrennt.
Allerdings weiß man bei einer Filterung noch nicht, woher ein
möglicher schädlicher Feststoffpartikelstrom, d. h. aus dem
Transportbehälter oder aus der Maschine kommt, und außerdem kann
man aufgrund der fehlenden Kenntnisse über die Partikelanflutung
einen Feinstfilter nur durch Differenzdruckmessung überwachen.
Allerdings erkennt man einen Filterdurchbruch anfangs nicht, was
z. B. für eine Papierherstellmaschine verheerende Folgen hat,
meist mit einem Wartungsstillstand.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jedoch ein einzelnes
Feststoffteilchen, wie ein kleiner Metallsplitter, in einer
ansonsten reinen Flüssigkeit trägheitslos und zuverlässig be
stimmbar. Durch eine Analyse der Amplitudenhöhe und der Fre
quenz-Zeit-Verhältnisse kann das Teilchen zuverlässig geortet
und bestimmt werden. D.h. auch die Teilchengröße kann bestimmt
werden, weil die Trägerflüssigkeit eine andere akustische Impe
danz hat.
Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Messung der
Reinigungsqualität beim Spülen einer Läpp-, Hon-, Polier- o. dgl.
-Maschine verwendet werden. So ist man beispielsweise in
Polier- und Läppmaschinen gezwungen, gemäß wechselnder Anforde
rungen aufgrund unterschiedlicher Werkstoffe unterschiedliche
Polier- bzw. Läppmittel zu benutzen. Dies bedeutet, daß nach
jedem Polier- bzw. Läppvorgang das alte Polier- bzw. Läppmittel
ausgespült, d. h. die Dosiervorrichtung, Leitungen etc. und die
Maschine davon gereinigt werden muß. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung läßt sich ausgezeichnet feststellen, ob sich in der
Spülflüssigkeit noch Feststoffteilchen befinden.
Reines Wasser gibt kein oder nur ein spezifisches, sehr schwa
ches Dopplerfrequenz-Linienspektrum. Hingegen löst ein einziges
Teilchen ein einziges kurzes, aber starkes Signal und damit
einen Impuls aus. Die Zählung der statistischen Häufigkeit
dieser Impulse ergibt einen zuverlässigen Aufschluß über die
Reinigungsqualität. Man kann damit das Ende der Reinigung quan
titativ und qualitativ zuverlässig bestimmen.
Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn in der Maschine vorher
relativ große Partikei mit einer Korngröße von beispielsweise 30
µm waren, und der nächste Oberflächenbehandlungsvorgang mit
kleineren, beispielsweise 1 µm oder gar nur 0,1 µm großen Parti
keln durchgeführt werden soll. Dann würden nämlich schon einige
wenige 30 µm Partikel zu einer weitgehenden Zerstörung der zu
bearbeitenden Oberfläche führen.
Vor allem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung und
Überwachung der genauen Zufuhrmenge des Läppkorns in einem Läpp-,
Polier- oder Schleifmittel einsetzbar sowie zur Konzentra
tionsüberwachung der Wasser-Feststoff-Aufschlämmung
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden also einerseits
Partikel in großer Zahl bestimmt, die dann bei regelmäßiger
Koinzidenz ein gleichförmiges Meß- und Impulssignal abgeben und
andererseits eine verschwindend geringe Anzahl von Fest
stoffpartikeln, die sich gegenüber dem fließenden Medium hin
sichtlich ihrer Schallimpedenz abheben.
Im Gegensatz zur Bestimmung von Feststoffpartikeln in Flüssig
keiten mit stark unterschiedlicher Impedanz steht die Bestimmung
einer Abgabemenge von Klebstoff und Öl. Hier ist das strömende
Medium nicht von echten Feststoffpartikeln durchsetzt, sondern
von großen Molekülen, die unter der Voraussetzung einer gleich
mäßigen Verteilung ein scharfes und gleichförmiges Doppler-
Liniensignal allerdings mit geringer Amplitude liefern.
Das Meßrohr, die Sensoren und die Auswertelektronik müssen auf
die unterschiedlichen Reflektoren jeweils verstärkungsmäßig
angepaßt werden. Man kann also beispielsweise die gleiche Sen
sorelektronik verwenden, die hinsichtlich der Ultraschall-Sende
energie und der Empfangssignalverstärkung umschaltbar ist bzw.
automatisch aus regelt.
Bei organischen Flüssigkeiten ist ein niedriges Nutz-/Störsignalver
hältnis nur dann gegeben, wenn die organische Flüssigkeit Makro
moleküle enthält, die eine Reflexion bewirken, jedoch sich in
den akustischen Eigenschaften nur wenig von dem zumeist dünn
flüssigeren Lösungsmittel oder Trägerflüssigkeit unterscheiden.
Der Doppler-Effekt in Flüssigkeiten und anderen Fluiden beruht
darauf, daß Teilchen einer Flüssigkeit in einem gebündelten
Schallstrahl aufgrund ihrer Relativbewegung zwischen Sender und
Empfänger eine Frequenzverschiebung (die Doppler-Frequenz) nach
Reflektion (Echo) erzeugen. In einem gewöhnlichem Rohr mit ge
ringem Innendurchmesser bewegen sich die Teilchen in dem Flüs
sigkeitsstrom jedoch mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
Demgemäß wird das Doppler-Meßsignal-Spektrum aus vielen ver
schiedenen Differenzfrequenzen gebildet, so daß ein relativ
breites, niedriges Meßsignal mit einem entsprechend niedrigen
Nutz-/Störsignal-Verhältnis entsteht.
Wenn es gelänge, den Teilchen eine gleichmäßige Geschwindigkeit
über den Rohrquerschnitt zu verleihen, würde sich also ein
scharfes Meßsignal, d. h. ein Linienspektrum ergeben und damit
eine genaue und empfindliche Messung kleiner Flüssigkeitsströme
in Rohren mit kleinem Durchmesser ermöglicht.
Einen wesentlichen Grund für die unterschiedlichen Strömungs
geschwindigkeiten der Partikel bildet die Reibung, auch der
Trägerflüssigkeit an der Rohrwand. Bei einer laminaren Strömung
geht die Strömungsgeschwindigkeit der Trägerflüssigkeit und
damit der in ihr suspendierten Streuteilchen im Bereich der
Rohrwand nahezu auf Null zurück.
Das Geschwindigkeitsprofil einer Flüssigkeit in einem Rohr
besonders mit geringem Innendurchmesser ist von Flüssigkeit zu
Flüssigkeit sehr unterschiedlich. Hydrauliköl bewegt sich anders
als Aufschlämmungen und diese wieder anders als thixotroper
Klebstoff. Die unterschiedlichen Geschwindigkeits- und
Strömungsprofile ergeben unterschiedliche Doppler-Meßsignalspek
tren, die aus vielen verschiedenen Differenzfrequenzen gebildet
werden.
Überraschenderweise läßt sich diese auf der Reibung an der Rohr
wand basierende Herabsetzung des Nutz-/Störsignal-Verhältnisses
des Doppler-Meßsignals erfindungsgemäß dadurch weitgehend besei
tigen, daß die Innenwand aus einem Material gebildet wird, das
eine niedrige Oberflächenenergie, nämlich ein geringes Zeta-
Potential von weniger als 200 mN/m vorzugsweise weniger als 50
mN/m aufweist. So weist Polytetrafluorethylen (PTFE) eine Ober
flächenenergie von 18 mN/m, Polyvinylchlorid (PVC) von 40 (mN/m)
und Polyamid von 46 mN/m auf. Im Vergleich dazu besitzt Eisen
eine Oberflächenenergie von 2030 und eine Eisen-Legierung sogar
4000 bis 5000 mN/m. Auch alle anderen Metalle liegen in dieser
Größenordnung.
Wie sich gezeigt hat, hat ein Eisen-Rohr gegenüber einem PVC-
Rohr gleichen kleinen Durchmessers ein wesentlich ungünstigeres
Strömungsgeschwindigkeitsprofil im Hinblick auf die Gewinnung
eines Spektrums mit scharfen Peaks, weil die Oberflächenenergie
von Eisen etwa 50 mal größer ist als bei PVC, selbst wenn der
Stahl ideal glattpoliert werden würde.
Weiterhin beeinträchtigt eine laminare Strömung die Schärfe des
Doppler-Meßsignal, da sie das bekannte, im Querschnitt parabel
förmige Geschwindigkeitsprofil mit der höchsten Geschwindigkeit
in der Rohrmitte und der Geschwindigkeit Null an der Rohrwand
ausbildet. Demgemäß wird erfindungsgemäß bei vorgegebenem Innen
durchmesser die Strömungsgeschwindigkeit im Meßrohr so einge
stellt, daß eine turbulente Strömung entsteht, also eine
Reynolds-Zahl größer 2300, insbesondere größer 4000. Der Innen
durchmesser des Meßrohres der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beträgt im allgemeinen zwischen 0,5 und 10 mm. Die Turbulenz
wird also über die angepaßte Auswahl von Durchmesser zur Visko
sität hergestellt.
Eine niedrige Oberflächenenergie wird dabei um so wichtiger, je
kleiner der Innenquerschnitt des Meßrohres ist. Die Wirkung der
Oberflächenenergie erstreckt sich im wesentlichen nur auf wenige
Zehntel Millimeter, die mechanische Rauhigkeit der Oberfläche
erzeugt nochmals langsamer fließende Flüssigkeitsschichten in
Rohrwandnähe mit einer Stärke von bis zu 1 bis 2 mm. Das bedeu
tet, daß bei einem Querschnitt des Meßrohres von mehr als 10 mm
die Bedeutung der Obenflächenenergie des Zetapotentials und der
Wandrauhigkeit abnimmt.
Damit sich eine gleichmäßige turbulente Strömung im Rohr im
Meßkanalbereich einstellt, muß im übrigen für eine ausreichend
lange Vorlaufstrecke Sorge getragen werden. Wie sich gezeigt
hat, muß die Vorlaufstrecke, d. h. die Länge des Rohres vom Rohr
anfang, also Einlauf, bis zum Meßbereich, also zur Schallkeule
des Ultraschallsenders im Rohr, mindestens das Zehnfache des
Innendurchmessers des Rohres betragen, wobei i.a. eine Länge der
Vorlaufstrecke zwischen dem Zehn- und dem Fünfzehnfachen des
Rohrinnendurchmessers gewählt wird.
Der Begriff "turbulente Strömung" bedeutet also nicht, daß ein
ganz ungleiches Strömungsprofil vorliegt. Vielmehr sagt er genau
das Gegenteil; d. h. es liegt ein weitgehend gleiches Strömungs
profil bezüglich der Geschwindigkeitsvektoren über einen kleinen
Rohrquerschnitt vor.
Ferner ist es wichtig, daß der Abstand zwischen dem Meßkanalbe
reich, in welchem der Doppler-Effekt erzeugt wird, und dem Rohr
ende, also dem Auslauf, mindestens das Dreifache des Rohrinnen
durchmessers beträgt, vorzugsweise das Drei- bis Fünffache. Bei
einem größeren Abstand zwischen dem Meßkanalbereich und dem
Rohrende treten nämlich durch den Staudruck Rückwirkungen im
Meßbereich auf, die die Ausbildung einer gleichmäßigen turbulen
ten Strömung im Schnittvolumen der Schallkeule beeinträchtigen.
Die Stärke des Rohres hängt im wesentlichen vom Innendruck ab.
Eine Wandstärke von 1 bis 2 mm im Bereich des Sende- und Emp
fangsschallwandlers ist jedoch i.a. ausreichend und zwar bis
etwa 10 bar, wenn das Rohr im Bereich des Sende- und Empfangs
wandlers verjüngt ist und der Verjüngungsbereich mit dieser
Wandstärke nicht länger als ca. 0,5 mm ist.
Wie erwähnt, ist erfindungsgemäß festgestellt worden, daß eine
wesentliche Voraussetzung für ein scharfes Doppler-Meßsignal
eine niedrige Oberflächenenergie der Rohrinnenwand ist, d. h. ein
Material mit einer Oberflächenenergie von weniger als 200, vor
zugsweise weniger als 50 mN/m.
Da Polytetrafluorethylen (PTFE), FEP oder Polyvinylidendifluorid
(PVDF) eine extrem niedrige Oberflächenenergie von ca. 18 mN/m
besitzt müßten die Materialien als Rohrmaterial daher zu einem
scharfen Doppler-Meßsignal führen; tatsächlich wird jedoch gera
de bei diesen Materialien ein besonders schlechtes Nutz-
/Störsignal-Verhältnis festgestellt.
Wie sich herausgestellt hat, muß das für das Rohr verwendete
Material nämlich neben einer niedrigen Oberflächenenergie noch
eine andere Eigenschaft besitzen, nämlich eine hohe Schallhärte
von mindestens 2 M Pas/m, vorzugsweise mindestens 2,5 M Pas/m,
damit sich ein scharfes Doppler-Meßsignal ausbilden kann. D.h.,
der E-Modul (Zug) beträgt mindestens 2500 MPa (2500 N/mm2) nach
DIN 43 457 bei 20°C, die Schallgeschwindigkeit vorzugsweise
mindestens 2000 m/s.
Die Schallhärte oder der akustische Wellenwiderstand eines Mate
rials wird durch folgende Formel bestimmt:
Z = σ · vs
worin Z die Schallhärte, Sigma die Dichte des Materials und vs
die Schallgeschwindigkeit in dem Material bedeuten. Die Schall
härte von PTFE beträgt beispielsweise ca. 1,1 MPas/m. Demgegen
über weist Polymethylmethacrylat eine Schallhärte von ca. 2,6
bis 6 MPas/m auf.
Die entscheidende Materialkonstante ist der E-Modul (Zug).
Die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodul und der Schallge
schwindigkeit (einer Longitudinalwelle) ist folgendermaßen:
worin E der Elastizitätsmodul, Sigma die Dichte und u die Pois
son-Konstante des Materials bedeutet.
Ferner darf das Rohrmaterial nicht selbst piezoelektrisch sein.
Nur wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, wird ein hohes
Nutz-/Störsignal-Verhältnis des Doppler-Meßsignals erhalten. So
weist Eisen beispielsweise zwar einen sehr hohen E-Modul von
218 000 MPa und damit eine sehr hohe Schallhärte auf, jedoch
auch eine sehr hohe Oberflächenenergie und ist damit als Rohr
material für Rohre mit kleinem Innendurchmesser trotzdem unge
eignet, um ein befriedigendes Doppler-Meßsignal zu erhalten.
Andererseits weist PTFE zwar eine extrem niedrige, also sehr
günstige Oberflächenenergie auf, jedoch besitzt es eine niedrige
Schallgeschwindigkeit von ca. 1100 m/s, so daß es ebenfalls
ungeeignet ist. Gleiches gilt für Polypropylen (PP) und Poly
ethylen (PE). Darüber hinaus weist PTFE selbst piezoelektrische
Eigenschaften auf, und ist auch deswegen ungünstig, insbesondere
in dicker Schicht.
Das Meßrohr besteht aus einem Material, das einen E-Modul von
mehr als 2500 MPa aufweist und an der Innenwand eine Oberflä
chenenergie von weniger als 200 mN/m besitzt. Dieses Material
kann beispielsweise Polyoxymethylen, Polyvinylchlorid, Polyme
thylmethacrylat, Areyl-methylmethacrylat, Polysulfon, Polyace
talharz, Polyethylentherephthalat, Polycarbonat, Epoxy-Harz,
Polyetherimid, Polyetheretherketon, Polyamidimid, Polyimid oder
Polybutylenterephthalat sein.
Als geeignetes Material für das Meßrohr zur Erzeugung scharfer
Doppler-Meßsignale hat sich vor allem Polyoxymethylen (POM)
erwiesen, das einen E-Modul von über 2500 MPa und eine Oberflä
chenenergie von 33 mN/m besitzt. Zugleich stellt POM einen sehr
abriebfesten Kunststoff dar, so daß es insbesondere zur Strö
mungsmessung abrasiver Aufschlämmungen, wie Läpp-, Polier- und
Schleifmittel, geeignet ist.
Neben POM sind ferner Hart-PVC, Polysulfon (PSU) und vor allem
Polymethylmethacrylat als Material für das Meßrohr der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung geeignet. Diese Materialien besitzen
ebenfalls eine niedrige Oberflächenenergie, PSU ist darüber
hinaus abriebfest und bis 174°C temperaturbeständig, also auch
heißdampfsterilisierbar bzw. zur Mengenbestimmung von Heißleim
geeignet.
PP und PE sind säurefest und beständig gegen anaerobe Klebstof
fe. Wie geschildert besitzen diese Kunststoffe jedoch eine zu
niedrige Schallgeschwindigkeit bzw. E-Modul. PP und PE aber auch
PTFE und PVDF und andere Fluorkohlenstoff- sowie Fluorkohlen
wasserstoff-Polymere, z. B. PEEK und FEP, also allgemein Kunst
stoffe mit einer niedrigen Oberflächenenergie von vorzugsweise
weniger als 50 mN/m sind jedoch erfindungsgemäß einsetzbar, wenn
sie mit einem Füllstoff, insbesondere einem anorganischen Füll
stoff gefüllt sind, so daß ein gefüllter Kunststoff mit einem E-
Modul von mehr als 2000 MPa resultiert. Voraussetzung ist aber,
daß die Korngröße K des Füllers in um folgender Bedingung ent
spricht:
worin f die Frequenz des Ultraschalls in MHz ist.
Sonst wird nämlich der gebündelte Schallstrahl zerstrahlt.
Fehlt aber die Bündelung, ergibt sich keine verwertbarer Peak.
Ein vielversprechendes Material für das Meßrohr der erfindungs
gemäßen Vorrichtung stellen ferner PTFE u. a. Fluorkohlenstoff-
Polymere dar, die mit einem anorganischen Material, wie
Glimmerkreide oder Glasteilchen, gefüllt sind, da sie bei
einem hohen E-Modul von über 2500 MPa eine Oberflächenenergie
von weniger als 50 mN/m aufweisen.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen Schnitt
durch ein Meßrohr mit einem Block-Schaltbild der Ultraschall-
Doppler-Meßvorrichtung zeigt.
Danach strömt durch ein Rohr 1 eine flüssige Aufschlämmung
oder eine partikelfreie oder fast partikelfreie Flüssigkeit
in Richtung des Pfeiles 2. Das Meßrohr 1 besteht aus einem
Kunststoff mit einer Oberflächenenergie von weniger als 50
mN/m, z. B. PTFE, der mit einem Füllstoff gefüllt ist, so daß
ein E-Modul von mehr als 2000 MPa resultiert.
Das Meßrohr 1 weist einen Innendurchmesser d von z. B. 4 mm
auf.
Ein HF-Oszillator 3 mit einer Sendefrequenz von z. B. 1 bis
20 MHz liefert die Ultraschall-Sendefrequenz, die von einem
Verstärker 4 verstärkt und einem Sendeschallwandler 5
zugeführt wird. Der Sendeschallwandler 5 besteht aus einem
plättchenförmigen piezoelektrischen Geber z. B. in
Quadratform von beispielsweise 4 × 4 mm oder in Kreisform mit
einem Durchmesser mit z. B. 3 mm oder in Halbkreisform und
ist an die schräge Flanke 6 einer Nut 7 im Meßrohr 1 mit
einem Schallkopplungsmittel akustisch fest gebunden. Die
Dicke des Meßrohrs 1 an der tiefsten Stelle der Nut 7 beträgt
ca. 1 mm. Das Schallkopplungsmittel kann ein Epoxykleber, ein
Cyanokleber oder ein leitfähiger, z. B. silbergefüllter
Acrylatkleber sein, der durch Haftvermittler in der Lage
ist, den piezoekeltrischen Geber und Empfänger fest und
schallgekoppelt mit dem Kunststoff zu verbinden.
Vom Sendeschallwandler 5 wird der Ultraschall 8 (Leit- oder
Sendefrequenz) mit einem Einstrahlwinkel Alpha gegenüber der
Rohrlängsachse schräg in die Flüssigkeit in Strömungsrichtung
2 eingestrahlt.
Erfindungsgemäß wird also vorzugsweise statt des üblichen
Einstrahlwinkels Alpha von 45° bei einem Rohrinnendurchmesser
von 3 mm und mehr ein kleinerer Einstrahlwinkel gegenüber der
Rohrlängsachse verwendet. Dadurch ergibt sich zwar z. B. bei
30° eine Erniedrigung der Dopplerfrequenz von 29%, jedoch
wird ein wesentlich besseres Spektrum erhalten, weil die
Schallbrechung an jedem Übergang von einem Werkstoff zum
andern sich entsprechend dem Snellius-Brechungsgesetz ändert.
Je größer der Einstrahlwinkel in den Meßkanal wird, um so
geringer wird der Streuanteil der durch Strahlenbrechung
erzeugten Ultraschallwellen. Da dies zweimal, nämlich beim
Übergang vom Sendeschall-Wandler 5 in das Rohr 1 und zurück
vom Rohr 1 in den Empfangsschall-Wandler 10 passiert, ist die
Auswirkung entsprechend groß.
Einem Einstrahlwinkel von weniger als 45° z. B. 30° steht aller
dings das große Problem der damit viel niederfrequenteren
Doppler-Signale entgegen. Demgemäß muß die Leitfrequenz so hoch
wie möglich sein, also vorzugsweise mehr als 10 MHz betragen,
d. h., möglichst der maximalen Durchlässigkeit (Schallhärte) des
Meßrohres 1 entsprechen. Mit diesem
relativ kleinen Einstrahlwinkel wird auf sehr einfache und
kostengünstige Weise eine wesentliche Verbesserung des Spektrums
erzielt. Wenn allerdings die Leitfrequenz niedrig ist, kann man
nicht auf analog-technische Maßnahmen zurückgreifen, vielmehr
muß dann die digitale Signalprozessor-Technik (DSP), insbesonde
re die Fourier-Analyse eingesetzt werden, um zu guten Ergebnis
sen zu kommen, d. h. zu scharfen Frequenz-Peaks.
Der Ultraschall 8 wird im Meßbereich B an Streuteilchen im Fluid
reflektiert und die reflektierte Strahlung 9 (Empfangsfrequenz),
die aufgrund des Doppler-Effekts durch die Bewegung der Streu
teilchen in Richtung des Pfeiles 2 frequenzverschoben ist, wird
vom Empfangsschallwandler 10 in ein elektrisches Signal umgewan
delt. Der Empfangsschallwandler 10, der in gleicher Weise ausge
bildet ist wie der Sendeschallwandler 5, also als Piezoschwin
gerplättchen, ist ebenfalls mit der schrägen Flanke 11 einer Nut
12 im Rohr 1 mittels eines Schallkopplungsmittels akustisch fest
verbunden. Die Nut 12 ist zur Nut 7 zentriert angeordnet und der
Empfangsschallwandler 10 ist in gleicher Weise auf den Meßbe
reich B ausgerichtet, wie der Sendeschallwandler 5. Im Meßbe
reich B ist das Innenrohr 1′ auf 0,1 bis 0,3 mm abgeschwächt,
Die Nuten 7 und 12 sind durch Einkerben des Rohres 1 an der
betreffenden Seite gebildet.
Der Abstand des Rohreinlaufs vom Meßbereich B beträgt etwa 5 cm
und der Abstand der Meßbereichs B vom Rohrauslauf etwa 2 mm,
also das etwa Zwölf- bzw. Fünffache des Rohrinnendurchmessers.
Das vom Empfangsschallwandler 10 erzeugte elektrische Signal
wird in einem Verstärker 14 verstärkt. In einem Mischer 15 er
folgt die Differenzbildung von Leitfrequenz und Empfangsfre
quenz, die dann die Doppler-Frequenz ergibt. Das gebildete Dopp
ler-Meßsignal wird über den nachgeschalteten Fourier-Analysator
16 auf einem Display 17 zur Anzeige gebracht.
Die Vorrichtung erlaubt auch die Richtungsdetektion. Die Leit
frequenz ist dabei viermal so hoch wie die Sendefrequenz. Die
Sendefrequenz wird also aus einer Viererteilung gewonnen. Die
Schwingung der Leitfrequenz wird durch vier geteilt, um gegenüber
der Sendefrequenz einfach und sicher eine Phasenvoreilung oder -
nacheilung um je 90° zu detektieren. Die Detektion und damit der
Phasenvergleich wird mit der Empfangsfrequenz gegen die nicht
verschobene Hilfsfrequenz durchgeführt. Daraus ergibt sich das
sog. orthogonale Richtungssignal. Je nach Voreilung des Emp
fangssignals um einen bestimmten Phasenwinkel (+ 90°) oder Na
cheilung (-90°) erkennt man die Richtung der Strömung. So ist
es beispielsweise bei volumetrischen Dosierventilen mit Rück
saugeffekt zur Tropfenverhinderung von Bedeutung, den Rückfluß
für eine genaue Mengenbestimmung meßtechnisch zu erfassen und zu
verrechnen was nur so möglich ist. Damit erhöht sich die Meß
genauigkeit, besonders bei Kleinstmengen im µl-Bereich.
Auf dem Display 17 wird dabei ein bereits umgerechneter Wert zur
Anzeige gebracht. Dazwischen liegen die sog. Frequenzschwer
punktsbildung aus dem Integral des Dopplersignals, welches zeit
lich ständig regeneriert werden muß, sowie die Verrechnung mit
verschiedenen Konstanten aufgrund verschiedener Rohrdurchmesser.
Auch werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Makromoleküle
aus Klebstoffen und Ölen als Streuteilchen erfaßt.
Feste Teilchen stellen im übrigen auch flüssige Zinnlösungen in
sog. Crèmes für Lötmaschinen dar, die überwacht werden sollen.
Die Partikelgröße beträgt dabei typischerweise 30-70 µm.
Gasblasen ergeben durch die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und
Gas eine besonders gute Reflexion. Sie sind auch schon in Form
eines feinstporigen Schaumes Schallimpedanzmäßig besonders
kräftige Reflektoren und in der Regel langsamer als eine voll
gefüllte Leitung mit Flüssigkeit. Das Doppler-Spektrum einer
Flüssigkeit, die Gasblasen enthält, unterscheidet sich durch
Frequenz und Amplitudenhöhe, wobei durch einen Grenzwert einge
stellt werden kann, ab welcher Gasblasengröße die Auswertelek
tronik reagiert.
Als Streuteilchen werden also von der erfindungsgemäßen Vorrich
tung nicht nur feste Teilchen, sondern auch Gasblasen genau
erfaßt wobei sie anhand ihrer Frequenz und Signalform von fe
sten Teilchen leicht unterschieden werden können, wie im Display
17 veranschaulicht, wobei das Signal 18 das Doppler-Meßsignal
für feste Streuteilchen und das Signal 19 das Meßsignal für
Gasblasen darstellt. Auf diese Weise kann mit der erfindungs
gemäßen Einrichtung beispielsweise in ein Leitungssystem einge
drungene Luft, wie sie bei Verstopfungen oder bei Vakuum, bei
spielsweise durch Ansaugen mit einer Pumpe aufgrund von Leckagen
auftritt, leicht festgestellt werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind also überaus vielfältig. So kann sie zur Messung der Ge
schwindigkeit eines Partikelstroms (Aufschlämmung) zur Messung
von Fremdpartikeln in einem Flüssigkeitsstrom (Partikeldetektor
mit quantitativer Berechnung des Verunreinigungsfaktors), zur
Messung von Gas in einer Flüssigkeit in Form von Schaum- oder
Luftblasen und damit zum Alarm für eine Fehlfunktion einer ent
sprechenden Vorrichtung bzw. für eine fehlerhafte Leitungsbefül
lung, zur Detektion der Strömungsrichtung, zur Messung der
Durchflußmenge aller Streuteilchen oder Reflektoren in organi
schen Medien, soweit sie sich gegenüber einem Lösungsmittel
schall impedanzmäßig zumindest geringfügig unterscheiden, sowie
zu Phasentrennung zwischen zwei Flüssigkeiten, die gewollt oder
fehlerhaft nacheinander durch den Meßkanal strömen, also bei
spielsweise zuerst einem flüssigen Produkt, dann einer Reini
gungslösung verwendet werden.
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Messen kleiner Flüssigkeits- und
Partikelströme in einem Meßrohr mit kleinem
Innendurchmesser nach dem Hochfrequenz-Ultraschall-
Doppler-Prinzip mit einem außen am Meßrohr angeordneten
Sende- und Empfangsschallwandler und einem an den Sende-
und Empfangsschallwandler angeschlossenen Mischer zur
Erzeugung des Differenzfrequenzsignals aus Leitfrequenz
und Empfangsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß das
Meßrohr (1) aus einem Kunststoff mit einer
Oberflächenenergie von weniger als 50 mN/m besteht, der
mit einem Füllstoff aus einem Material mit einem E-Modul
von mehr als 2500 MPa versetzt ist, der folgende
Teilchengröße im µm aufweist:
worin f die Frequenz des Ultraschalls in MHz bedeutet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kunststoff Polypropylen, Polyethylen oder ein
Fluorkohlenstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-Polymeres
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Füllstoff ein anorganisches
Material ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (1) einen
Innendurchmesser zwischen 0,5 mm und 10 mm aufweist und
die Leitfrequenz vom Sendeschallwandler (5) mit einem
Einstrahlwinkel (Alpha) in Strömungsrichtung in die
Flüssigkeit nach folgender Bedingung eingestrahlt wird:
worin n der Innendurchmesser des Meßrohres (1) in
Millimeter ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeschallwandler (5)
und der Empfangsschallwandler (10) jeweils auf einer
Flanke (6, 11) einer Nut (7, 12) in der Außenseite des
Meßrohres (1) angeordnet sind.
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1991
- 1991-06-07 DE DE4143509A patent/DE4143509C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4143509C2 (de) | 1996-03-14 |
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