DE10317807A1

DE10317807A1 - Measuring process comprises focusing ultrasound in dispersion using suitable means and evaluating temporary change of intensity of ultrasound back-scattered from focal point and passing through suspension

Info

Publication number: DE10317807A1
Application number: DE2003117807
Authority: DE
Inventors: Alexander Grahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-11-18

Abstract

A measuring process comprises focusing ultrasound in a dispersion using suitable means and evaluating a temporary change of intensity of the ultrasound back-scattered from the focal point and passing through the suspension. The intensity and temporary change of intensity are caused by several particles held in the measuring volume.

Description

Stand der TechnikState of technology

Es sind verschiedene Verfahren zur Charakterisierung von Dispersionen mittels Ultraschall bekannt.It are different methods for the characterization of dispersions known by means of ultrasound.

Messgeräte zur Konzentrationsbestimmung von Dispersionen nutzen entweder die Schalldämpfung oder eine Laufzeitmessung des Ultraschalls durch die Dispersion. Neben einfachen Varianten sind Gerätelösungen bekannt, die durch kombinierte Messung mehrerer Parameter eine erhöhte Messsicherheit erzielen /1, 2/.Measuring devices for determining the concentration of Dispersions use either sound absorption or a transit time measurement ultrasound through dispersion. In addition to simple variants Known device solutions, increased measurement reliability through the combined measurement of several parameters achieve / 1, 2 /.

Bei der Messung der Partikelgröße von Dispersionen sind verschiedene spektroskopische Verfahren bekannt, die bei verschiedenen Ultraschallfrequenzen im Bereich von etwa 0.1 bis 200 MHz entweder die Dämpfung oder die Laufzeit messen /3–5/. Die Auswertung der Dämpfungsspektren bezüglich einer Bestimmung der Partikelgröße erfolgt mit verschiedenen Algorithmen. Insgesamt decken die verschiedenen Verfahren und Algorithmen einen Messbereich der Partikelgröße von ca. 10 nm bis 3000 μm ab /6/. Der Konzentrationsbereich ist auf Konzentrationen größer ca. 1 Vol.-% beschränkt. Bei geringeren Konzentration ist die Dämpfung des Ultraschalls meist zu gering, um auswertbare Signale zu erhalten. Da die Ultraschallspektroskopie eine technisch aufwendige Messtechnik darstellt, wurde in /7/ vorgeschlagen, im Sinne einer einfachen Prozesskontrolle die Messung der Dämpfung bei nur zwei geeigneten Frequenzen durchzuführen.at measuring the particle size of dispersions Different spectroscopic methods are known which are used in different Ultrasound frequencies in the range of about 0.1 to 200 MHz either the damping or measure the running time / 3–5 /. The Evaluation of the damping spectra regarding a Particle size is determined with different algorithms. Overall, the different cover Methods and algorithms have a particle size measurement range of approx. 10 nm to 3000 μm / 6 /. The concentration range is at concentrations greater than approx. 1% by volume limited. At lower concentrations, the attenuation of the ultrasound is mostly too low to receive evaluable signals. Because the ultrasound spectroscopy represents a technically complex measurement technique, was proposed in / 7 /, the measurement of the damping in the sense of a simple process control perform only two suitable frequencies.

In /8/ und /9/ werden Verfahren beschrieben, die im Gegensatz zu den oben beschriebenen Methoden /1–7/, keine integrale Messung, sondem eine Messung der Ultraschallextinktion und -rückstreuung am Einzelpartikel durchführen. Diese beiden Verfahren erlauben eine Messung der Dispersion bei geringen Konzentrationen. Bei höheren Konzentrationen versagen diese Verfahren, da durch Koinzidenzen sich mehrere Partikel gleichzeitig im Messvolumen befinden.In / 8 / and / 9 / describe methods which are in contrast to the Methods described above / 1–7 /, no integral measurement, but a measurement of the ultrasonic extinction and backscatter on Perform single particles. These two methods allow the dispersion to be measured low concentrations. At higher Concentrations fail these procedures because of coincidences there are several particles in the measuring volume at the same time.

Sowohl in der Medizin als auch in der Werkstoffprüfung sind örtlich hochauflösende Verfahren mit fokussiertem Ultraschall zur Bildgewinnung oder zur Fehlstellendetektion bekannt. Für eine Prozessüberwachung bezüglich der Eigenschaften disperser Systeme sind diese Verfahren nicht einsetzbar, da sowohl an die Auswertealgorithmen als auch an die Messanordnung andere Anforderungen gestellt werden.Either in medicine as well as in material testing, locally high-resolution methods are involved focused ultrasound for image acquisition or for defect detection known. For a process monitoring in terms of Due to the properties of disperse systems, these processes cannot be used. because of the evaluation algorithms as well as the measurement setup other requirements are made.

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konzentrations- und Größenbestimmung disperser Bestandteile in Flüssigkeiten mittels fokussiertem Ultraschall. So können mit der Erfindung die Größe bzw. Konzentration von Partikeln in Suspensionen, von Tröpfchen in Emulsionen oder von Blasen in Flüssigkeiten und Schäumen berührungslos gemessen werden. Im Folgenden werden die dispersen Bestandteile vereinfachend als Partikel und die fluide Phase als Suspensionsmittel bezeichnet.The The invention relates to a method for determining concentration and size disperse components in liquids using focused ultrasound. So with the invention Size or concentration of particles in suspensions, of droplets in emulsions or of Bubbles in liquids and foaming contactless be measured. The following are the disperse components simplifying as a particle and the fluid phase as a suspending agent designated.

Die Erfindung wird nachfolgend an hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the drawings show:

1: Anordnung zum Messung von Größe und Konzentration von dispersen Systemen mit fokussiertem Ultraschall. 1 : Arrangement for measuring the size and concentration of disperse systems with focused ultrasound.

2: Gemessene Mittelwerte und Standardabweichungen der Transmission des Ultraschalls für zwei unterschiedlich große Partikelsysteme bei verschiedenen Konzentrationen. 2 : Measured averages and standard deviations of the transmission of ultrasound for two different sized particle systems at different concentrations.

3: Gemessener Mittelwert und Standardabweichung der Intensität des rückgestreuten Ultraschalls für zwei unterschiedlich große Partikelsysteme bei verschiedenen Konzentrationen. 3 : Measured mean and standard deviation of the intensity of the backscattered ultrasound for two different sized particle systems at different concentrations.

4: Einfluss des Abstandes (9) auf die Rückstreusignale 4 : Influence of distance ( 9 ) on the backscatter signals

Das Schema in 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer entsprechenden Messanordnung. Sie besteht mindestens aus einem vorzugsweise fokussierendem Ultraschallwandler (1), für Extinktionsmessungen einem weiteren vorzugsweise fokussierendem Ultraschallwandler (2) oder einen Reflektor, einer Sender/Empfänger-Einheit (4) sowie einer Auswertungseinheit (5). Die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Messinformationen werden im Fokuspunkt (6) der Messanordnung generiert, der von einem Gemisch aus Fluid (7) und den darin enthaltenen Partikeln (8) durchströmt wird. Den Ultraschallwandlern kann zur besseren Eingrenzung der Messstrecke jeweils eine partikelfreie Vorlaufstrecke (3) vorgeschaltet werden. Mit der Sender/Empfänger-Einheit wird der Ultraschallwandler (1) angeregt. Die Anregung kann mit verschiedenen Frequenzen in Form eines Burstes oder als Dirac-Stoß erfolgen. Bei der Rückstreumessung wird der zeitliche Verlauf des Ultraschallechos durch eine zeitliche Torschaltung mit dem Ultraschallwandler (1) gemessen. Es hat sich gezeigt, dass der Abstand (9) zwischen Ultraschallwandler (1) und dem Fokuspunkt (6) einen großen Einfluss auf die messbaren Partikelsignale hat. Bei einer Transmissionsmessung kann mit dem Ultraschallwandler (2) der zeitliche Verlauf des die Messstrecke durchtretenden Ultraschalls erfasst werden. Eine besonders vorteilhafte Methode zur Transmissionsmessung ist die Verwendung eines Reflektors anstelle des Ultraschallempfängers (2). Mit dieser Anordnung kann das Extinktionssignal ebenfalls mit dem Ultraschallempfänger (1) gemessen werden.The scheme in 1 shows the basic structure of a corresponding measuring arrangement. It consists of at least one preferably focusing ultrasound transducer ( 1 ), for absorbance measurements another preferably focusing ultrasound transducer ( 2 ) or a reflector, a transmitter / receiver unit ( 4 ) and an evaluation unit ( 5 ). The measurement information essential for the method according to the invention is in the focus point ( 6 ) of the measuring arrangement generated by a mixture of fluid ( 7 ) and the particles it contains ( 8th ) is flowed through. The ultrasonic transducers can each have a particle-free lead section ( 3 ) upstream. With the transmitter / receiver unit, the ultrasonic transducer ( 1 ) excited. The excitation can take place with different frequencies in the form of a burst or as a Dirac pulse. In the backscatter measurement, the time course of the ultrasound echo is determined by a time gate with the ultrasound transducer 1 ) measured. It has been shown that the distance ( 9 ) between ultrasonic transducers ( 1 ) and the focus point ( 6 ) has a major influence on the measurable particle signals. For a transmission measurement, the ultrasonic transducer ( 2 ) the time course of the ultrasound passing through the measuring section is recorded. A particularly advantageous method for transmission measurement is the use of a reflector instead of the ultrasound receiver ( 2 ). With this arrangement, the extinction signal can also be transmitted to the ultrasound receiver ( 1 ) can be measured.

Da der Schalldruck im Fokuspunkt lokal wesentlich größer ist als im übrigen Messstrahl, ist ebenfalls das gemessene Echo aus dem Fokuspunkt deutlich größer als das Echo aus Regionen vor oder nach dem Fokuspunkt. Ebenso wird der zeitliche Verlauf der Transmission des Strahles besonders durch die Partikel im Fokuspunkt maßgeblich beeinflusst. Bei hohen Konzentrationen befinden sich mehrere Partikel im Fokuspunkt und tragen gemeinsam zu einer Rückstreuung oder Transmission des Ultraschalls bei. Auf Grund der begrenzten Anzahl der Partikel im Fokuspunktes treten u. a. aufgrund statistischer Schwankungen der Partikelkonzentration im Fokuspunkt ebenfalls Schwankungen bei der Intensität des Echos und des durchtretenden Ultraschalls auf. Sowohl die Schwankungen als auch die absolute Intensität sind abhängig von der Größe, Konzentration, dem Material der Partikel (8) und den Eigenschaften des Suspensionsmittels (7). Bei bekannten Material- und Suspensionsmitteleigenschaften können die Größe und Konzentration der Partikel entweder durch eine statistische Auswertung, eine Zeitreihenanalyse oder eine Kalibrierung gefunden werden. Im Falle einer Kalibrierung werden statistische Parameter der Signalschwankung (Mittelwert, Standardabweichung, Schiefe, usw.) den entsprechenden Partikelgrößen und Konzentrationen zugeordnet. Bei der statistischen Auswertung oder bei einer Zeitreihenanalyse kann aufbauend auf mathematischen Modellen eine Berechnung der Partikelgröße und -konzentration physikalisch begründet mit einer jeweiligen Anpassung an die Materialeigenschaften der Dispersion erfolgen. Im Gegensatz zu /8/ und /9/ erfolgt hier erfindungsgemäß die Messung der Intensität an einem Partikelkollektiv mit einer begrenzten Partikelanzahl. Aus der gemessenen Intensität bzw. deren zeitlichen Verlauf kann lässt sich die mittlere Größe und Konzentration der im Messvolumen befindlichen Partikeln bestimmen.Since the sound pressure at the focal point is locally much greater than in the rest of the measuring beam, the measured echo from the focal point is also significantly larger than the echo from regions before or after the focal point. Likewise, the time course of the transmission of the beam is significantly influenced, in particular, by the particles at the focus point. At high concentrations, several particles are in the focal point and together contribute to backscattering or transmission of the ultrasound. Due to the limited number of particles at the focal point, fluctuations in the intensity of the echo and the ultrasound passing through also occur due to statistical fluctuations in the particle concentration in the focal point. Both the fluctuations and the absolute intensity depend on the size, concentration, material of the particles ( 8th ) and the properties of the suspending agent ( 7 ). With known material and suspending agent properties, the size and concentration of the particles can be found either by means of a statistical evaluation, a time series analysis or a calibration. In the case of a calibration, statistical parameters of the signal fluctuation (mean value, standard deviation, skewness, etc.) are assigned to the corresponding particle sizes and concentrations. In the statistical evaluation or in a time series analysis, the particle size and concentration can be calculated on the basis of mathematical models with physical reasons, with a respective adaptation to the material properties of the dispersion. In contrast to / 8 / and / 9 /, the intensity is measured according to the invention on a collective of particles with a limited number of particles. The mean size and concentration of the particles in the measurement volume can be determined from the measured intensity or its time course.

Experimentelle Untersuchungen bestätigten die Zusammenhänge. Die 2 bis 4 zeigen hierzu Messergebnisse mit folgenden Parametern: Eigenfrequenz der Wandler: ca. 10 MHz, Fokusabstand: 18 mm, Durchmesser der Ultraschallwandler 16 mm, Extinktionslänge 35 mm. Die Anregung des Senders erfolgte sowohl bei den Extinktionsmessungen als auch bei den Rückstreumessungen in Form eines Dirac-Stoßes. Als Partikelsystem wurden PVC-Partikel mit unterschiedlichen Größen im Bereich von 20 bis 200 μm verwendet.Experimental investigations confirmed the relationships. The 2 to 4 show measurement results with the following parameters: Natural frequency of the transducer: approx. 10 MHz, focus distance: 18 mm, diameter of the ultrasonic transducer 16 mm, extinction length 35 mm. The transmitter was stimulated both in the extinction measurements and in the backscatter measurements in the form of a Dirac pulse. PVC particles with different sizes in the range from 20 to 200 μm were used as the particle system.

In der 2 ist die mittlere Transmission sowie deren Standardabweichung für zwei unterschiedlich große Partikelsysteme bei verschiedenen Konzentrationen dargestellt. Für die beiden Systeme ergeben sich charakteristische Zusammenhänge, die eine eindeutige Zuordnung zur Partikelgröße unabhängig von der Konzentration ermöglichen.In the 2 the mean transmission and its standard deviation are shown for two different sized particle systems at different concentrations. Characteristic correlations result for the two systems, which enable a clear assignment to the particle size regardless of the concentration.

In 3 ist ebenfalls erkennbar, dass bei Rückstreumessungen eine Zuordnung der Partikelgröße und der Konzentration aus dem gemessenen Mittelwert und der Standardabweichung der Amplitude des rückgestreuten Ultraschalls eindeutig möglich ist. Die kleineren Partikel verursachen bei gleichem Mittelwert der Rückstreuintensität eine geringere Standardabweichung als gröbere Partikel. Bei hohen Partikelkonzentrationen wird beobachtet, dass sowohl die Rückstreuintensität als auch die Standardabweichung der Rückstreuintensität stark gedämpft wird, was zu Mehrdeutigkeiten bei der Partikelgrößenbestimmung führen kann. Ursache dieser Signaldämpfung ist die Tatsache, dass die Partikelsignale aus dem Fokuspunkt (6) auf dem Weg durch die Suspension zum Ultraschallwandler (1) gedämpft wehen. Durch eine geeignete Wahl einer partikelfreien Vorlaufstrecke und des Abstandes (9) kann die Dämpfung der Signale minimiert werden. Charakteristische Zusammenhänge der Rückstreuintensität und deren Standardabweichung sind in der 4 dargestellt. Die Veränderung des Abstandes (9) während einer Messung ermöglicht zusätzlich die Beurteilung des Dämpfungsverhaltens eines Partikelsystems.In 3 it can also be seen that in backscatter measurements it is clearly possible to assign the particle size and the concentration from the measured mean value and the standard deviation of the amplitude of the backscattered ultrasound. With the same mean backscatter intensity, the smaller particles cause a lower standard deviation than coarser particles. At high particle concentrations it is observed that both the backscatter intensity and the standard deviation of the backscatter intensity are strongly damped, which can lead to ambiguities in the particle size determination. The cause of this signal attenuation is the fact that the particle signals from the focus point ( 6 ) on the way through the suspension to the ultrasonic transducer ( 1 ) blow muffled. Through a suitable choice of a particle-free lead section and the distance ( 9 ) the attenuation of the signals can be minimized. Characteristic relationships of the backscatter intensity and their standard deviation are in the 4 shown. The change in distance ( 9 ) during a measurement also enables the damping behavior of a particle system to be assessed.

Die Intensitätsschwankungen des Ultraschalls werden vorrangig durch die schwankenden Partikelanzahlen im Messvolumen verursacht. Weiterhin ist jedoch der Effekt zu berücksichtigen, dass Partikel sich nur teilweise im Messvolumen befinden. Da die Anzahl der Partikel, die sich nur teilweise im Messvolumen befinden, ebenfalls statistischen Schwankungen unterliegt, führt dieser, in der Literatur als Randzoneneffekt, beschriebene Sachverhalt /10/ ebenfalls zu statistischen Schwankungen des rückgestreuten und durchtretenden Ultraschalls. Der Einfluss des Randzoneneffektes nimmt mit zunehmender Partikelgröße zu, da bei großen Partikeln die Wahrscheinlichkeit, dass das Partikel sich in der Randzone des Messvolumens befindet größer ist als bei kleinen Partikeln. Dieser Effekt kann deshalb zur Bestimmung der Partikelgröße und Größenverteilung herangezogen werden, indem bei verschieden großen Messvolumina die Schwankung der Extinktion gemessen wird und diese Abhängigkeit mittels einer Kalibrierung oder aufbauend auf mathematischen Modellen in eine Partikelgröße oder Größenverteilung umgerechnet wird /10/.The intensity fluctuations of ultrasound are primarily caused by the fluctuating number of particles caused in the measurement volume. However, the effect must also be taken into account that particles are only partially in the measurement volume. Since the Number of particles that are only partially in the measurement volume is also subject to statistical fluctuations, this leads to in the literature as a marginal zone effect, facts described / 10 / also to statistical fluctuations of the backscattered and penetrating Ultrasound. The influence of the edge zone effect increases with increasing Particle size too, because for large Particles the probability that the particle is in the peripheral zone of the measuring volume is larger than with small particles. This effect can therefore be used for determination particle size and size distribution the fluctuation with different sized measurement volumes the absorbance is measured and this dependency by means of a calibration or based on mathematical models in a particle size or size distribution is converted / 10 /.

Diese Methode wird erfindungsgemäß umgesetzt, indem die Messung bei verschiedenen Messvolumina nicht durch eine mechanische Variation des Messstrahls /10/ oder durch eine gleichzeitige Messung mit mehreren Messvolumina /11/ erfolgt, sondern wie folgt: Die Größe des Messvolumens wird durch den Durchmesser des Ultraschallstrahles und durch die Länge des Integrationsbereiches festgelegt. Da die Länge des Integrationsbereiches bei der Auswertung des zeitlichen Verlaufes des Rückstreusignals frei wählbar ist, erfolgt, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, die Variation des Messvolumen ohne konstruktive Veränderung nur durch eine zeitliche Torschaltung der elektronischen Signalverarbeitung. Das ermöglicht eine einfache Anpassung an verschiedenste Messaufgaben bezüglich Konzentration, Größe und Verteilung der Partikel.This method is used according to the invention set by measuring at different measurement volumes not by mechanical variation of the measurement beam / 10 / or by simultaneous measurement with several measurement volumes / 11 /, but as follows: The size of the measurement volume is determined by the diameter of the ultrasound beam and by the length of the Integration area determined. Since the length of the integration area can be freely selected when evaluating the time profile of the backscatter signal, in contrast to the known methods, the measurement volume is varied without design changes only by temporally switching the electronic signal processing. This enables easy adaptation to a wide variety of measurement tasks with regard to concentration, size and distribution of the particles.

Das Verfahren lässt sich sowohl als reine Rückstreumessung nur mit dem Ultraschallwandler (1) oder als reines Transmissionsverfahren mit den Wandlern (1) und (2) realisieren. Eine Transmissionsmessung ist auch nur mit dem Wandler (1) möglich, indem der Wandler (2) durch einen geeigneten Reflektor ersetzt wird und der Wandler (1) sowohl als Sender als auch als auch als Empfänger genutzt wird. Die Schwächung des Ultraschalls erfolgt in diesem Fall beim Hin- und Rückweg durch die Dispersion. Eine simultane Auswertung beider Signale (Transmission und Rückstreuung) kann zu einer höheren Sicherheit und Stabilität der Messung verwendet werden.The method can be used as a pure backscatter measurement only with the ultrasonic transducer ( 1 ) or as a pure transmission process with the converters ( 1 ) and ( 2 ) realize. A transmission measurement is also only possible with the converter ( 1 ) possible by the converter ( 2 ) is replaced by a suitable reflector and the converter ( 1 ) is used both as a transmitter and as a receiver. In this case, the ultrasound is weakened on the way back and forth through the dispersion. A simultaneous evaluation of both signals (transmission and backscattering) can be used for greater security and stability of the measurement.

Referenzencredentials

/1/ DE 196 14 764
/ 2 / DE 196 14 782
/ 3 / DE 34 38 798 A1
/ 4 / US 4,412,451
/ 5 / US 5,121,629
/ 6 / F. Hinze, S. Ripperger, M. Stintz: “Characterization of suspensions nanoscale particles using ultrasound spectroscopy and electroacoustic Methods ", chemistry Engineer Technology (72) 2000, pp. 322-332
/ 7 / US 3,779,070 (1973)
/8th/ US 4,381,674
/ 9 / EP 0 801 305 A1
/ 10 / B. Wessely: Absorbance measurement of light for characterization disperse systems. VDI Progress Reports, Series 8, No. 773
/ 11 / DE 323 62 61 A1

Claims

A measurement method for determining the concentration and average size of disperse constituents in highly concentrated dispersions, which is characterized in that ultrasound is focused into the dispersion by suitable means and the intensity and the temporal change in the intensity of the backscattered and / or through the focus point ultrasound passing through the suspension are evaluated, the intensity and the temporal change in the intensity being caused by several particles in the measurement volume, which preferably move relative to the ultrasound field.

A method according to 1, characterized in that is that the ultrasonic transducers narrow down the measurement path are connected upstream to the area of the focus point.

A method according to 1-2, characterized in that is that the distance of the lead sections to the focus point is adjustable is.

A method according to 1-3, characterized in that is that not only the backscatter intensity is immediate from the focus point, but also the course of the backscattered intensity evaluates from different measuring room sizes by averaging through a variable time gate of the backscattered Echoes about different time intervals and therefore different sizes Suspension volumes are carried out.

A method according to 1-4, which is characterized in that the measurement of the backscatter intensity and the time course of the backscatter intensity at different distances ( 9 ) between the exit window of the lead section ( 3 ) and the focus point ( 6 ) respectively.

A method according to 1-5, characterized in that is that the evaluation of the time courses of the intensity of the backscatter and the transmission with regard to size and concentration of the disperse Components through mathematical / physical models or through Calibration is done.

A method according to 1-6, characterized in that is that the transmission measurement is either by two opposite arranged focusing ultrasonic transducers or only with one transducer and opposite one arranged reflector takes place.

A method according to 1-5, characterized in that is that focusing the ultrasound matches the particle size can be.

A method according to 1-5, characterized in that is that ultrasound in a frequency range from 0.1 to 200 MHz is used.