DE102008014300A1

DE102008014300A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Stoffgemischen

Info

Publication number: DE102008014300A1
Application number: DE200810014300
Authority: DE
Inventors: Benno Dr.-Ing. Wessely; Robert Dipl.-Ing. Weser; Andreas Dipl.-Ing. Richter; Frank Dr.-Ing. Hinze
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands und/oder einer Zustandsänderung von Stoffgemischen mittels Messung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit in diesen Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit mindestens ein Schallwandler (1) verwendet wird, der im Puls-Echo-Verfahren angesteuert wird und sowohl als Schallgeber als auch als Schallempfänger verwendet wird, wobei die ausgesendeten und vom selben Schallwandler detektierten Bursts beim Durchlaufen des Stoffgemisches (10) an mindestens zwei, dem Schallwandler gegenüber, in verschiedenen Abständen zum Schallwandler angeordneten Reflektorflächen (4, 5) reflektiert und die von den Reflektorflächen (4, 5) reflektierten Echoburst (p3, p4) zur Ermittlung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit ausgewertet werden. Eine Vorrichtung ist beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands und/oder einer Zustandsänderung von Stoffgemischen mittels Ultraschalldämpfung und Schallgeschwindigkeit nach den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 11. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung werden bevorzugt disperse Stoffgemische wie Suspensionen und Emulsionen hinsichtlich der Partikelgröße, der Konzentration sowie akustischer Eigenschaften wie der Schallgeschwindigkeit, der Schalldämpfung und der akustischen Impedanz an den Phasengrenzflächen untersucht.
Aus DE000069025205T2 (Alba) ist eine Anordnung und eine Methode zur Partikelgrößenbestimmung mit einem Breitband-Ultraschallpulssignal durch Auswertung der Dämpfung bei mehreren Frequenzen eines Breitband-Ultraschallpulssignals in der Suspension bekannt. Dabei wird jedoch ein Paar gegenüberliegend angeordneter Ultraschallwandler (Extinktionsanordnung) eingesetzt, um Schallwellen auszusenden und zu detektieren.
Aus US6487894B1 (DT) ist eine Methode zur Bestimmung der Größenverteilung von Partikeln und der mechanischen Eigenschaften von weichen Partikeln in Flüssigkeiten durch Messung der Schallgeschwindigkeit und des Ultraschalldämpfungsspektrums bekannt. Hier wird jedoch ebenfalls mit einem Ultraschallwandler-Paar in Extinktionsanordnung gearbeitet, bei dem ein Wandler als der Schallsender, der andere als der Schallempfänger genutzt wird.
In DE69904680T2 werden ein ultraschallspektrometrisches Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei der ebenfalls ein gemessenes Dämpfungsspektrum einer Extinktionsanordnung von zwei Schallwandlerpaaren bestimmt und aus dem Dämpfungsspektrum mit einem einzigen Inversionsschritt die Größenverteilung der Dispersion ermittelt wird. Dabei folgt die Größenverteilung einem vorgegebenen Funktionstyp.
Auch die in DE3438798A1 (Löffler, Riebel) beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren nutzen eine Extinktionsanordnung von Ultraschallwandlern. Mit dem Verfahren wird die Größenverteilung aus einem linearen Gleichungssystem berechnet, das von einem theoretisch abgeleiteten Modell und einem gemessenen Dämpfungsspektrum ausgeht. Ebenfalls mit einer Extinktionsanordnung arbeiten die in US4852396A (Univ. Syracuse) beschriebene Vorrichtung und das Verfahren. Hier wird die Laufzeit einer Schallwelle ausgewertet, um die Konzentration von Emulsionen zu bestimmen. Dazu wird ebenfalls die Laufzeit in den reinen Komponenten der Dispersion bestimmt.
Die in US5569844A beschriebene Vorrichtung sowie das zugeordnete Verfahren verwenden Extinktionsanordnungen von Schallwandlerpaaren sowie eine Gammastrahlen-Quelle. Die Schallwandlerpaare bilden Messräume in einem von einer Dispersion durchströmten Tank. Mit den Schallwandlerpaaren und der Gammastrahlen-Quelle werden die Ultraschalldämpfung und -geschwindigkeit sowie die Dämpfung der elektromagnetischen Strahlung durch die Dispersion ermittelt und zur Bestimmung der Größenverteilung und der Konzentration ausgewertet.
Aus DE10032743A1 (Heimel, Graz) sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Dichtebestimmung in Flüssigkeiten mithilfe mindestens zweier Schallwandlerpaare, bestehend aus einem Sende- und einem Empfangselement, sowie zwei mit der zu vermessenden Flüssigkeit gefüllten Messstrecken unterschiedlicher Länge bekannt. Dabei wird die Messung nur durch das Vorhandensein von mindestens zwei Schallwandlerpaaren ermöglicht, wobei Sender und Empfänger gegenüberliegend angeordnet sein müssen.
Aus DE10054782A1 (Ripperger, Altmann, Wessely, Hinze) ist ein Verfahren zur Messung der Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung von dispersen Systemen mit gerichteter Strahlung sowie statistischer Auswertung der Schwankung des Messsignals bekannt. Hier werden jedoch mindestens zwei verschiedene Wellenlängen ausgewertet sowie ein Messvolumen verwendet, dessen Durchmesser im Bereich der zu bestimmenden Partikelgröße liegt.
Aus US6205848B1 (Rückstreuung von fokussiertem Ultraschall) sind eine Methode und eine Anordnung zur Bestimmung der Partikelgröße und der Partikelkonzentrationen von Suspensionen bekannt, bei der reflektierte Signale aus mindestens einem Messvolumen aus Zeitfenstern entlang der akustischen Achse eines Ultraschallstrahls ausgewertet werden. Diese Methode und Anordnung arbeiten jedoch mit einem fokussierten Ultraschallbündel.
Mit US20030121315A1 (Rabinovich) wird eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, um die Konzentration eines Wasser-Methanol-Gemischs aus der mit einem im Schallechoverfahren betriebenen Schallwandler bestimmten Dämpfung und Schallgeschwindigkeit zu ermitteln. Dabei wird die Schallwelle nur durch eine einzelne Fläche reflektiert.
Eine in US2005/0252294 beschriebene Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit nutzt simultan mehrere Messstrecken, die jeweils mit einem Transmitter und einem Receiver bestückt sind, wobei sich in einer Messstrecke ein Referenzfluid mit bekannter Zusammensetzung und Eigenschaften befindet. Die gleichzeitige oder zeitlich serielle Anordnung des Referenzstoffgemisches und des zu messenden Stoffgemisches in einer Messstrecke ist nicht beschrieben.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die vorzugsweise partikelhaltige Stoffgemische mit Partikelgrößen von Nanometer bis zu einigen Millimetern in einem großen Konzentrationsbereich in einem einzigen Auswerteschritt auf eine prozessnahe Weise mit geringem gerätetechnischem Aufwand und daher geringer Fehleranfälligkeit erfassen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen. Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 11 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Verfahrensgemäß werden zur Messung Amplituden von Schallwellen ausgewertet, die von mindestens einem Schallwandler ausgesandt, beim Durchlaufen der Dispersion an mindestens zwei in unterschiedlichem Abstand zum aussendenden Schallwandler angeordneten Flächen reflektiert und anschließend vom aussendenden Schallwandler detektiert werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik bedeutet dies eine Vereinfachung des Messaufbaus.
Es hat sich gezeigt, dass durch eine simultane Auswertung der Schallwellen, die von mindestens zwei in unterschiedlichem Abstand zum Schallwandler angeordneten Flächen reflektiert werden, Dämpfungs- und Schallgeschwindigkeitswerte ohne Kenntnis der Anregungsamplitude des Schallwandlers bestimmt werden können. Im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht dies die Bestimmung der Schalldämpfung und der Schallgeschwindigkeit.
Ein weiterer Vorteil der Schallreflexionsmessung von mindestens zwei in unterschiedlichem Abstand angeordneten Reflektorflächen und der erfindungsgemäßen Auswertung besteht darin, dass Stoffwerte derjenigen Phasen, welche die Schallwellen durchlaufen, nicht bekannt sein müssen, um einen Dämpfungswert zu bestimmen. Dadurch wird im Gegensatz zum Stand der Technik mit erfindungsgemäßem Verfahren und Vorrichtung ein einfacheres und robusteres Messen der durch das Stoffgemisch hervorgerufenen Schallgeschwindigkeit und der Schalldämpfung und deren Änderung während des Anlagenbetriebs möglich. Aus diesen beiden Messgrößen können Rückschlüsse bezüglich der Zusammensetzung des Stoffgemisches wie z. B. der Partikelgröße und der Partikelkonzentration gezogen werden.
Der eingesetzte Schallwandler ist ein Resonanzschallwandler, dessen schallaktive Fläche auf die akustische Impedanz des Vorlaufstreckenmediums angepasst ist. Nur so ist gewährleistet, dass der Ultraschallbursts mit einem hohen Wirkungsgrad in die Vorlaufstrecke eingekoppelt wird.
Die Ansteuerung des Schallwandlers erfolgt über eine elektrische Schaltung, welche die Signalerzeugung, Verstärkung, den analogen Empfang und die Digitalisierung sowie Datenspeicherung übernimmt. Die Verarbeitung der empfangenen Daten erfolgt mit einem Computer oder vergleichbarer Signalverarbeitungstechnik.
Die Vorteile der vorzugsweisen Verwendung einer Vorlaufstrecke bestehen darin, dass die Messung im definierten Ultraschall-Fernfeld erfolgt und dass die Übergangssignale am Fenster für die Messung genutzt werden können. Die Nahfeldlänge N ist abhängig von der Frequenz des ausgesendeten Schalls:
wobei d der Durchmesser des Schallwandlers, f die Frequenz des Schallwandlers bzw. λ dessen Wellenlänge und c die Schallgeschwindigkeit im durchschallten Material ist. Für einen im Puls-Echo-Verfahren verwendeten Resonanzschallwandler ist somit die Mittenfrequenz maßgebend für die Nahfeldlänge und somit auch für die zu wählende Länge der Vorlaufstrecke.
Das Fenster dient primär der Trennung von Vorlaufstreckenmedium und zu vermessendem Stoffgemisch. Dementsprechend muss der Transmissionsanteil beim Durchlauf des Ultraschallbursts durch das Fenster größer als der Reflexionsanteil sein. Nur so ist gewährleistet, dass ein ausreichend hoher Schalldruck für die eigentliche Messung zur Verfügung steht. Die Verhältnisse der akustischen Impedanzen zwischen Vorlaufstreckenmedium und Fenstermaterial sowie zwischen Fenstermaterial und flüssiger Phase des Stoffgemisches müssen demnach so gewählt werden, dass der Transmissions- größer als der Reflexionsanteil ist (akustische Impedanzanpassung, acoustic impedance matching). Zudem soll die Schalldämpfung durch das Fenstermaterial so gering wie möglich sein. Entsprechend ist die Fensterdicke möglichst gering zu gestalten und das Fenstermaterial auf die angrenzenden Materialien anzupassen.
Bei der vorzugsweisen Anwendung der Vorrichtung zur Charakterisierung wässriger Stoffgemische wird die Vorlaufstrecke mit Wasser gefüllt und das Fenster besteht beispielsweise aus Polyethylen. Diese Materialschichtung erlaubt die Einkopplung eines maximalen Schalldrucks in das zu vermessende Stoffgemisch.
Das Signal p1 ist ein Maß für die relative akustische Impedanz von dem in der Vorlaufstrecke befindlichen Medium und dem Fenstermaterial. Das Signal p2 ist in analoger Weise ein Maß für die relative akustische Impedanz des Fenstermaterials und des zu messenden Stoffgemisches oder bei Dispersionen des Suspensionsmittels. In einer Ausführungsvariante wird die Vorlaufstrecke mit einer Referenzflüssigkeit gefüllt, um relative Änderungen von Referenzflüssigkeit zum Stoffgemisch in einem Arbeitsschritt erfassen zu können. Als Referenzflüssigkeit kann beispielsweise eine Komponente des Stoffgemisches verwendet werden. Beispielsweise können Änderungen in der Zusammensetzung eines Glycerin-Wasser-Gemischs mit Wasser als Referenzflüssigkeit in der Vorlaufstrecke direkt aus den Signalen p1 und p2 detektiert werden.
Bei der Verwendung einer festen Vorlaufstrecke entfällt das Vorlaufstreckenfenster und somit auch das Signal p1 (6).
Für das Verfahren zur Bestimmung der Ultraschalldämpfung nach Anspruch 5 müssen die beiden Reflektorflächen aus dem gleichen Material sein. Nur so kann aus der Amplitudendifferenz zwischen dem Echosignal p3 der ersten Reflektorfläche und dem Echosignal p4 der zweiten Reflektorfläche ohne zusätzliche Parameter die Schalldämpfung bestimmt werden. Zudem soll das Reflektormaterial so gewählt sein, dass der auftreffende Ultraschallburst hauptsächlich reflektiert wird (akustische Impedanzfehlanpassung, acoustic impedance mismatching). Bei der vorzugsweisen Anwendung der Vorrichtung zur Charakterisierung wässriger Stoffgemische eignet sich Stahl als Reflektormaterial, da in diesem Fall 90 Prozent der auftreffenden Schallwelle reflektiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1: Eine erfindungsgemäße beispielhafte Vorrichtung,
2: Beispielhafter Einsatz der Vorrichtung als Durchflussmesszelle zur Inline-Messung,
3: Beispielhafter Einsatz der Vorrichtung als Behältermesszelle,
4: Beispielhafter Einsatz der Vorrichtung als Einstecksonde zur Messung in Reaktoren,
5: Änderung der Ultraschalldämpfung bei unterschiedlichen Feststoffkonzentrationen Siliziumdioxid in Wasser, Ultraschalldämpfung bei 5 MHz,
6: Änderung der Ultraschalldämpfung bei der Emulgierung von Silikonöl in Xanthan-Lösung (Dispersphasenanteil c = 4 Vol.-%), Ultraschalldämpfung bei 5 MHz und mittlere Tröpfchengröße (Referenz: Laserbeugungsspektrometer),
7: Änderung der Ultraschalldämpfung bei der Nassmahlung von Siliziumnitridpartikeln, Ultraschalldämpfung bei 5 MHz und Partikelgröße (Referenz: Laserbeugungsspektrometer),
8: Ultraschalldämpfung bei 5 MHz und Schallgeschwindigkeit von homogenisierter Milch in Abhängigkeit des Fettgehaltes.
In der 1 ist eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dargestellt ist ein Schallwandler 1 mit angeschlossener Vorlaufstrecke 2. Die Vorlaufstrecke 2 ist zu dem zu untersuchenden Stoffgemisch 10 durch ein Vorlaufstreckenfenster 3 abgeschlossen. Gegenüber der Vorlaufstrecke 2 befinden sich in axialer Richtung zwei Reflektorflächen 4 und 5, die senkrecht zur Mittelachse des Schallfelds und in ihrem axialen Abstand zueinander sowie gegenüber dem Fenster 3 der Vorlaufstrecke 2 einstellbar angeordnet sind. Dargestellt sind ebenfalls die an den verschiedenen Reflektorflächen auftretenden Echosignale.
Der Schallwandler 1 gemäß 1 wird im Puls-Echo-Verfahren betrieben und gibt einen vorzugsweise schmalbandigen Burst ab. Der Ultraschallburst durchläuft die Vorlaufstrecke 2, die durch das Fenster 3 von dem zu messenden Stoffgemisch 10 getrennt ist. Die beiden Reflektorflächen 4, 5 teilen das auftreffende Schallbündel in zwei Teile. Der axiale Abstand zwischen den beiden Reflektorflächen, die so genannte Stufenhöhe sh, ist bekannt und kann auf für die Messaufgabe günstige Abstände eingestellt werden. Gleiches gilt für den Abstand zwischen Vorlaufstreckenfenster 3 und erster Reflektorfläche 4. Bei einem Stoffgemisch hoher Dämpfung werden die Abstände möglichst klein gewählt, während bei einem Stoffgemisch geringer Dämpfung die Stufenhöhe entsprechend groß gewählt wird. Bei veränderten Messbedingungen ist auch eine Veränderung der Abstände während der Messung vorgesehen. Der vom Schallwandler ausgesandte Burst wird an Phasengrenzen Vorlaufstrecke/Fenster-Peak p1 6, Fenster/Stoffgemisch-Peak p2 7, Stoffgemisch/erste Reflektorfläche-Peak p3 8 sowie Stoffgemisch/zweite Reflektorfläche-Peak p4 9 teilweise reflektiert. Die Reflexionen p1 bis p4 werden, als dem Schallwechseldruck proportionales Signal, durch den Schallwandler 1 detektiert und hinsichtlich der Signalamplitude, der Signallaufzeit sowie des Frequenzspektrums ausgewertet.
Ausgehend von der beispielhaften Vorrichtung und dem resultierenden Echosignal entsprechend 1, wird die Schallgeschwindigkeit des Stoffgemisches über die Laufzeitdifferenz zwischen zwei Peaks, die an einer Grenzfläche mit Kontakt zum Stoffgemisch entstanden sind, ermittelt. Dazu muss der Abstand zwischen den beiden Grenzflächen, an denen diese Peaks entstanden sind, bekannt sein. Um zunächst die Laufzeit der einzelnen Peaks zu bestimmen, wird die quadrierte Signalamplitude des aufgenommenen Echosignals mit der des ausgesendeten Bursts korreliert. Anhand der lokalen Maxima im Korrelationssignal können die Laufzeiten der einzelnen Peaks bestimmt werden. Die Schallgeschwindigkeit des Stoffgemisches ergibt sich als doppelter Abstand zwischen den beiden Grenzflächen geteilt durch die Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Peaks.
Bei einer vorzugsweisen Vorrichtung nach 1 kann die Schallgeschwindigkeit aus der Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Peaks p2 und p3, p2 und p4 oder p3 und p4 bestimmt werden. Wird die Laufzeitdifferenz zwischen p3 und p4 genutzt, so ist die doppelte Stufenhöhe sh als durchschallte Weglänge zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit einzusetzen.
Bei Stoffgemischen, die den Schall vergleichsweise stark dämpfen, wird der Abstand zwischen den Grenzflächen gemäß der Vorrichtung verringert. Dementsprechend werden auch die Weglängen für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit verkürzt. Um die Schallgeschwindigkeit nach dem oben genannten Verfahren dennoch möglichst genau bestimmen zu können, muss die Abtastfrequenz des zeitdiskreten Echosignals hinreichend hoch sein. Erfüllt die Abtastfrequenz der eingesetzten Empfangsschaltung diese Forderung nicht, so kann das zeitdiskrete Echosignal mittels einer Interpolation mit kubischen Spline-Funktionen zu einem quasi zeitkontinuierlichen Zeitsignal rekonstruiert werden. Der so minimierte Abstand zwischen zwei Abtastpunkten ermöglicht eine höhere Auflösung bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit.
Beim Durchlaufen des Stoffgemisches 10 wird die Schallwelle in beiden Laufrichtungen gedämpft, d. h., der Schalldruck und die Intensität nehmen ab. Aufgrund der unterschiedlichen Messvolumina, die durch die verschiedenen Reflektorflächenabstände entstehen, sind die Amplituden dieser Schallechos unterschiedlich stark gedämpft. Die Amplitudendifferenz der beiden letzten Echos ist durch das Stoffgemisch bedingt, da eines der Schallechos einen längeren Weg durch selbiges zurückgelegt hat, alle anderen zurückgelegten Wege und Bedingungen allerdings gleich sind. Unter der Vorraussetzung, dass die Reflektorflächen aus dem gleichen Material bestehen, kann die Schalldämpfung ohne Kenntnis weiterer Parameter direkt aus der Amplitudendifferenz zwischen p3 und p4 ermittelt werden. In diesem Fall entstehen die beiden Grenzflächen, an denen diese Peaks zurückgeworfen werden, durch die gleiche Paarung von Stoffgemisch (akustische Impedanz Z_S) auf der einen und Reflektormaterial (akustische Impedanz Z_R) auf der anderen Seite (s. 5). Dementsprechend ist der reflektierte Signalanteil R an beiden Grenzflächen gleich, und die Differenz zwischen den Signalamplituden der beiden Peaks wird einzig durch die Dämpfung des Stoffgemischs und die Geometrie des vom Schallwandler erzeugten Schallfelds hervorgerufen.
Der Einfluss der Schallfeldgeometrie wird nach der Messung durch eine Kalibrierung auf Messwerte eines Referenzmessgerätes eliminiert.
Treten während der Messung Ablagerungen auf den Reflektorflächen oder der Vorlaufstreckenfenster auf, so dämpfen diese zwar die Amplitude der reflektierten Signalanteile, beeinträchtigen die Dämpfungsbestimmung allerdings nicht, da die reflektierten Signalanteile zu gleichen Teilen gemindert werden. Dieser Vorteil der erfindungsgemäßen Schallwandler-Reflektor-Anordnung macht das Verfahren für die Verwendung in der Prozessmesstechnik besonders attraktiv.
Entsprechend der Definition für den Abfall der Schalldruckamplitude beim Durchgang einer Schallwelle durch ein Material der Schichtdicke 2·sh lässt sich der Dämpfungskoeffizient α wie folgt angeben:
Interpretiert man die Amplitudendifferenz zwischen p3 und p4 als Pegeldifferenz, so kann in Anlehnung an die Definition des Schalldruckpegels der Dämpfungskoeffizient α in Dezibel ausgedrückt werden:
Dabei wird der Pegel von p3 auf jenen von p4 bezogen und auf die durchschallte Weglänge 2 sh normiert.
Im Sinne einer höheren statistischen Sicherheit der Dämpfungsmesswerte, vor allem bei geringen Signal-Rausch-Abständen von p4, ist eine Dämpfungsauswertung im Frequenzbereich vorzuziehen. Zu diesem Zweck werden die beiden Bereiche um die Peaks p3 und p4 mit Hilfe einer Fensterfunktion aus dem Echosignal extrahiert. Die beiden so entstandenen Teilsignale werden getrennt voneinander unter Anwendung der Fourier-Transformation in den Frequenzbereich (Fouriertransformierte P3(f) und P4(f)) überführt. Somit liegen die Spektren der Echobursts vor. Diese weisen, wie auch das Spektrum des ausgesendeten Ultraschallbursts, eine durch den verwendeten Ultraschallwandler bestimmte charakteristische Form auf. Diese Vorgehensweise liefert demnach einen frequenzabhängigen Dämpfungswert, der zusätzlich auf die Frequenz normiert werden kann:
Der Frequenzbereich, für den ein plausibler Dämpfungswert angegeben werden kann, ist abhängig von der Bandbreite des eingesetzten Schallwandlers.
Jede sich in einem Medium ausbreitende Schallwelle wird gedämpft. Die Dämpfung des Schalls ist neben den absorptiven Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (Energiewandlung in Wärme) bei dispersen Stoffgemischen insbesondere von den Inhomogenitäten (den Elementen einer Dispersion) abhängig. So haben die Größe der Inhomogenitäten und deren Verteilung erheblichen Einfluss. Die Schalldämpfung kann daher für die messtechnische Bestimmung granulometrischer Größen herangezogen werden.
Es existieren Modelle für die Berechnung der Dämpfung und Schallgeschwindigkeit auf der Basis der Partikelgröße, der Frequenz des Ultraschalls und der relevanten Stoffeigenschaften (beispielsweise /1/). Die Bestimmung von Partikelgrößen und -konzentrationen aus gemessenen Werten beruht auf der Suche nach der Partikelgröße bzw. -konzentration, die dem gemessenen Dämpfungs- und Schallgeschwindigkeitswert am besten entspricht. Ein Parameterschätzprozess führt die Berechnung einer Partikelgröße aus gemessenen Dämpfungswerten aus. Dazu wird mit einem Suchalgorithmus diejenige Partikelgröße bestimmt, deren zugehöriger Dämpfungswert mit den gemessenen Dämpfungen am besten übereinstimmt.
Für begrenzte Veränderungen können die Messwerte (gegebenenfalls auch Rohwerte) auf die Dispersitätsgrößen kalibriert werden. Weiterhin ist die Nutzung der Vorrichtung auch für eines zuvor hinterlegten Zustandes (Rohwerte oder Dämpfung, Schallgeschwindigkeit), definiert durch einen oder mehrere zu ermittelnde Werte, vorteilhaft. Dieser Ansatz kann zur Endpunkterkennung von dynamischen oder zur Kontrolle eines Arbeitsbereiches von statischen Prozessen (Qualitätskontrolle) genutzt werden.
In der 2 ist ein beispielhafter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Durchflussmesszelle zur Inline-Messung dargestellt. Bei dieser Anordnung strömt das zu untersuchende Stoffgemisch 10 in einem Rohr 11. Der Schallwandler 1 ist dabei im Rohr 11 eingelassen. Die beiden Reflektorflächen 4, 5 befinden gegenüber und sind ebenfalls im Rohr 11 eingelassen.
3 zeigt einen beispielhaften Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Behältermesszelle. Das zu untersuchende Stoffgemisch 10 befindet sich in einem Behälter 12. Der Schallwandler 1 und die Reflektorflächen 4, 5 sind in der Behälterwand angeordnet.
In der 4 ist ein beispielhafter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Einstecksonde zur Messung in Reaktoren dargestellt. Schallwandler 1 und Reflektorflächen 4, 5 befinden sich in der schon beschriebenen Art und Weise auf einem gemeinsamen Träger 13. Das Stoffgemisch 10 kann ungehindert in den Messbereich zwischen den Schallwandler 1 und die beiden Reflektorflächen 4, 5 gelangen, sobald diese Anordnung in ein Stoffgemisch 10 eingetaucht wird.
Die 5 zeigt gemessene Dämpfungswerte von Siliziumdioxid-Suspensionen mit konstanter Partikelgröße bei unterschiedlichen Konzentrationen, die bei einer Frequenz von 5 MHz mit erfindungsgemäßer Vorrichtung und Verfahren bestimmt wurden. Die Dämpfungswerte sind als Funktion der Feststoffkonzentration dargestellt, die durch Zugabe von Feststoff zur Suspension schrittweise erhöht wurde.
In der 6 sind Messergebnisse der Tropfengröße in einem Emulgierprozess dargestellt. Die Emulsion wurde mit Silikonöl als disperse Phase sowie mit Wasser-Xanthan-Gemisch als kontinuierliche Phase gebildet. Anschließend wurde schrittweise mithilfe verschiedener Dispergierwerkzeuge die Tropfengröße der Ausgangsemulsion reduziert. Die Ergebnisse der nominellen Tropfengröße nach den einzelnen Emulgierschritten wurde mit einem Laserbeugungsspektrometer als Referenz bestimmt und gegenüber der mit erfindungsgemäßer Vorrichtung und Verfahren bestimmten Dämpfung (bei 5 MHz) derselben Emulsion dargestellt.
7 zeigt den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten zeitlichen Verlauf der Ultraschalldämpfung bei einer Frequenz von 5 MHz während der Nasszerkleinerung einer hochkonzentrierten Mineralsuspension in einer Durchlaufkugelmühle. Die Änderung der Ultraschalldämpfung korreliert sehr gut mit den 90%-Werten der volumenmäßigen Summenfunktion der Partikelgrößenverteilung x₉₀, die im Labor mit der Laserbeugungsspektroskopie bestimmt wurden. In diesem Fall kann anhand der Dämpfung der Zerkleinerungsfortschritt sehr gut abgebildet werden.
Ein viertes Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Milch mit unterschiedlichen Fettgehalten. Der Fettgehalt der Milch wurde durch das schrittweise Verdünnen mit Wasser variiert. Der für die Messung verwendete Durchflusssensor gemäß 2 zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens befand sich in einer Ringleitung, die mittels einer Zirkulationspumpe durchströmt wurde. In 8 sind die Ultraschalldämpfung bei einer Frequenz von 5 MHz und die Schallgeschwindigkeit aufgetragen. Sowohl die Ultraschalldämpfung als auch die Schallgeschwindigkeit korrelieren in diesem Ausführungsbeispiel mit dem hier untersuchten Fettgehalt von homogenisierter Milch.

[1] DUKHIN, A. S. und P. J. GOETZ: Acoustic and Electroacoustic Spectroscopy. Langmuir, 12: 4336–4344, 1996.
[2] FARAN, J. J.: Sound scattering by solid cylinders and spheres. J. Acoust. Soc. Am., 23(4): 405–418, 1951.

1: Schallwandler
2: Vorlaufstrecke
3: Vorlaufstreckenfenster
4: erste Reflektorfläche
5: zweite Reflektorfläche
6: Echoburst, Peak p1
7: Echoburst, Peak p2
8: Echoburst, Peak p3
9: Echoburst, Peak p4
10: Stoffgemisch
11: Rohr
12: Behälter
13: Träger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 000069025205 T2 [0002]
- US 6487894 B1 [0003]
- DE 69904680 T2 [0004]
- DE 3438798 A1 [0005]
- US 4852396 A [0005]
- US 5569844 A [0006]
- DE 10032743 A1 [0007]
- DE 10054782 A1 [0008]
- US 6205848 B1 [0009]
- US 20030121315 A1 [0010]
- US 2005/0252294 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DUKHIN, A. S. und P. J. GOETZ: Acoustic and Electroacoustic Spectroscopy. Langmuir, 12: 4336–4344, 1996 [0055]
- FARAN, J. J.: Sound scattering by solid cylinders and spheres. J. Acoust. Soc. Am., 23(4): 405–418, 1951 [0055]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Zustands und/oder einer Zustandsänderung von Stoffgemischen mittels Messung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit in diesen Stoffgemischen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit mindestens ein Schallwandler (1) verwendet wird, der im Puls-Echo-Verfahren angesteuert wird und sowohl als Schallgeber als auch als Schallempfänger verwendet wird, wobei die ausgesendeten und vom selben Schallwandler detektierten Bursts beim Durchlaufen des Stoffgemisches (10) an mindestens zwei, dem Schallwandler gegenüber, in verschiedenen Abständen zum Schallwandler angeordneten Reflektorflächen (4, 5) reflektiert und die von den Reflektorflächen (4, 5) reflektierten Echoburst (p3, p4) zur Ermittlung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallwandler (1) mit einer bekannten Vorlaufstrecke (2) und einem Abschluss mit einem Vorlaufstreckenfenster (3) verwendet wird und zusätzlich zu den Echoburst (p3, p4) an den Reflektorflächen (4, 5) die Echoburst (p1, p2) am Vorlaufstreckenfenster (2) zur Ermittlung der Ultraschalldämpfung und/oder der Schallgeschwindigkeit ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungswerte und Schallgeschwindigkeiten für mehrere diskrete Ultraschallfrequenzen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Dämpfungswerte und Schallgeschwindigkeiten für eine Ultraschallfrequenz bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Ultraschalldämpfung und der Schallgeschwindigkeit aus den Signalen p3 und p4 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit aus den Signalen p2 und p4 oder p2 und p3 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufstrecke (2) mit einem bekannten Medium gefüllt ist und anhand der Amplituden der Signale p1 und p2 eine relative Veränderung der Eigenschaften des Stoffgemisches erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldruckamplitude wiederholt gemessen und unter Mittelwertbildung und Bestimmung des Konfidenzintervalls ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalldämpfung und die Schallgeschwindigkeit, bei der Vermessung disperser Stoffgemische, hinsichtlich der Partikelgröße und/oder der Partikelgrößenverteilung und/oder der Partikelkonzentration ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschalldämpfung, die Schallgeschwindigkeit und die Signale p1 bis p4 hinsichtlich der Änderung des Zustands des Stoffgemisches qualitativ ausgewertet werden.
Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands und/oder einer Zustandsänderung von Stoffgemischen, aufweisend Mittel zur Auswertung von Ultraschalldämpfung und/oder Schallgeschwindigkeit beim Durchschallen des Stoffgemisches, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Schallgeber und Schallempfänger vorgesehener Schallwandler (1) gegenüber einer ersten Reflektorfläche (4) und einer zweiten Reflektorfläche (5) angeordnet ist, die erste Reflektorfläche (4) und die zweite Reflektorfläche (5) einen Differenzabstand sh zum Schallwandler (1) aufweisen, und zwischen Schallwandler (1) und den Reflektorflächen (4, 5) ein Stoffgemisch (10) zur Messung der Dämpfung derselben mittels Auswertung von Ultraschalldämpfung und/oder Schallgeschwindigkeit beim Durchschallen des Stoffgemisches einleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (1) im Puls-Echo-Verfahren ansteuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Schallwandlers (1) eine Vorlaufstrecke (2) angeordnet ist, so dass die Durchschallung durch die Vorlaufstrecke (2) und das Stoffgemisch (10) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Abstände der Reflektorflächen (4, 5) zueinander und zum Schallwandler (1) einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Abstände der Reflektorflächen (4, 5) zueinander und zum Schallwandler (1) fest sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (1) und die Reflektorflächen (4, 5) in einem Rohr (11) fest angeordnet sind und das Rohr zur Beströmung mit einem Stoffgemisch (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (1) und die Reflektorflächen (4, 5) in einem Behälter (12) fest angeordnet sind und der Behälter zur Aufnahme eines Stoffgemisches (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (1) und die Reflektorflächen (4, 5) auf einem gemeinsamen Träger (13) angeordnet sind und der Träger zum Eintauchen in ein Stoffgemisch (10) ausgebildet ist.