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Dokumentenidentifikation DE102006003649B4 19.03.2009
Titel Verfahren und Einrichtung zur Qualitätsüberwachung von technischen Einkomponenten und Mehrkomponentenflüssigkeiten mittels Ultraschall On-Line Messungen ihrer Viskosität, Dichte, Kompressibilität und Volumenviskosität
Anmelder Gitis, Mihail, Prof. Dr.Dr., 52074 Aachen, DE
Erfinder Gitis, Mihail, Prof. Dr.Dr., 52074 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 26.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006003649
Offenlegungstag 02.08.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.03.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.03.2009
IPC-Hauptklasse G01N 29/02  (2006.01)  A,  F,  I,  20060126,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G01N 29/09  (2006.01)  A,  L,  I,  20060126,  B,  H,  DE
G01N 11/16  (2006.01)  A,  L,  I,  20060126,  B,  H,  DE
G01N 9/24  (2006.01)  A,  L,  I,  20060126,  B,  H,  DE
G01N 29/032  (2006.01)  A,  L,  I,  20060126,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]
Anwendungsgebiet:

Die Erfindung betrifft auf die On-Line Prozessüberwachung, wo die Eigenschaften und/oder die Zusammensetzung der eingesetzten technischen Flüssigkeiten die entscheidende Rolle zur Qualität von technologischen Prozessen spielen, wie, z. B., Kühlschmierstoffe in der Metallverarbeitung und in der Getriebetechnik, Farbendruckprozessen, verschiedene Lackierungstechnik, Reinigungsanlage usw.

Zweck:

Der Zweck der Erfindung ist das Schaffen der Messvoraussetzungen zur On-Line Messungen von unterschiedlichen Parametern der technischen Flüssigkeiten darunter auch und von Mehrkomponenten und auf dieser Basis die aussagekräftige On-Line Beurteilung über der Qualität von typischen technischen Flüssigkeiten zu gewährleisten.

Stand der Technik:

Die Überwachung der Parameter von technischen Einkomponenten- und Mehrkomponentenflüssigkeiten, die man bei der Lösung von unterschiedlichen technischen Aufgaben weitestgehend verwendet, ist immer ein unverbrüchlicher Bestandteil des Qualitätssicherheit von mehreren technologischen Prozessen.

Als Quelle zur Qualitätsbeurteilung nutzt man die On-Line Messungen von physikalischen Parametern der Flüssigkeiten oder ihre quantitative chemische Analyse. Das Letzte ist, natürlich, die aussagekräftigste, jedoch schließt die On-Line Überwachung und Regelung aus und dabei steigern die Kosten des Prozesses.

Zur Zeit ist die Qualitätsüberwachung auf Grund der Parametermessung hauptsächlich nur bei technischen Einkomponentenflüssigkeit eingesetzt, da die Qualitätsüberwachung von Mehrkomponentenflüssigkeiten nur bei präzisen Messungen mehrer physikalischen Parameter stattfinden kann.

Aus der Vielfalt von physikalischen Parametern der Flüssigkeiten nutzt man zur Überwachungszweck meistens die Viskosität, Dichte, Kompressibilität. Der Einsatz der robusten Messungen von elektrischen Eigenschaften oder als selbständigen Qualitätsparameter oder als Ergänzung der oben genanten Parameter ist sehr beschränkt, da viele technische Flüssigkeiten auf Wasserbasis hergestellt werden und dadurch sind Messergebnisse oft mit uninteressanten und unwichtigen Salzinhalten im Wasser stark belastet.

Typischerweise fordert die Durchführung von Messungen der Viskosität, Dichte, Kompressibilität ganz unterschiedlicher Einrichtungen, und wird die Realisierung der Einrichtungen dadurch sehr kompliziert und aufwendig.

Die Messungen der physikalischen Parameter von Flüssigkeiten mittels Ultraschall geben die notwendigen physikalischen Gründe zur Messung der Viskosität, Dichte, Kompressibilität, Volumenviskosität mit der ähnlichen Methoden, jedoch sind ihre Realisierungen oder nicht genug präzis oder fordern sehr unterschiedliche Ultraschallmesstechnik.

Die bekannten Verfahren der Viskositätsmessung mittels Ultraschalls beruhen auf der Messung des Reflexionsfaktors der transversalen Wellen von der Grenze einer Oberfläche der Quelle der transversalen Wellen und der untersuchten Flüssigkeit. Das Verfahren ist schon seit geraumer Zeit bekannt /1/.

Da oft der direkte akustische Kontakt zwischen dem Piezowandler, der transversale Wellen erzeugt unerwünscht ist (z. B. bei der Messung in der radioaktiven Flüssigkeiten), nutzt man einen Festkörper zwischen dem Wandler und der Flüssigkeit. Einige Verbesserungen des Verfahrens sind in /2–4/ beschrieben. Jedoch bleibt immer der Hauptnachteil-relativ niedrige Auflösungsmöglichkeit. Dadurch beschränkt sich die Anwendung dieses Verfahrens nur mit Messungen in Flüssigkeiten mit großer Viskosität (ca. 0,5 Poise und mehr). Dabei ist die Viskosität &eegr; aus dem gemessenen Reflexionsfaktor R zu berechnen:

&ohgr; = 2&pgr;f, f ist die Ultraschallfrequenz, &rgr;Flüssigkeit ist die Dichte der Flüssigkeit, ZtFeskörper &rgr;FestkörperstFestkörper ist die akustische Impedanz des Festkörpers zur transversalen Wellen.

Falls der direkte akustische Kontakt zwischen dem Piezowandler und der untersuchten Flüssigkeit möglich ist, nutzt man die Messung der Änderung der eigenen Schwingungsfrequenz des Wandlers. Diese Frequenzverschiebung &Dgr;&ohgr; der Resonanzfrequenz des Wandlers besteht durch die Änderung der Reflexion von Wellen auf der Grenze zwischen dem Wandler und der Flüssigkeit im Vergleich zur freien Wandleroberfläche und ist solcher Weise mit der Viskosität verbunden:

Hier sind &rgr;Wandler und stWandler die Dichte und die transversale Ultraschallgeschwindigkeit des Wandlerstoffes.

Die Resonanzfrequenzverschiebung des Wandlers ist mit den mehrfachen Reflexionen verursacht und dabei kann viel genauer gemessen werden, obwohl es ist klar, dass die technische Realisierung der Messungen wesentlich komplizierter und aufwendiger wird.

Die Genauigkeit der Messung der Frequenzverschiebung &Dgr;&ohgr; ist von der Wandlergüte stark abhängig, was auch die konstruktiven Schwierigkeiten bei der Wandlerbefestigung, Dichtung, -Platzierung usw. bringt. Einige konstruktive Lösungen sind in /5/ vorgeschlagen worden.

Zur Berechnung der Viskosität aus der Ultraschallmessungen, wie es aus der Formel (2) folgt, müssen auch die aktuellen Werte der Dichte der Flüssigkeit bekannt sein oder in unabhängiger Weise gemessen werden.

Aus klaren Gründen ist es vorteilhaft, dafür auch die Ultraschallmessungen zu nutzen.

Die Realisierung des Ultraschallverfahren zur Dichtebestimmung beruht, einerseits, auf der Messung des Reflexionsfaktors der longitudinalen Wellen von der Grenze einer Oberfläche der Wellenquelle (meistens einen Festkörper) und der untersuchten Flüssigkeit Rlongitudinal und, andererseits, auf der Messung der Ultraschallausbreitungsgeschwindigkeit in der untersuchten Flüssigkeit sFlüssigkeit:

Hier ist ZlFeskörper = &rgr;FestkörperslFestkörper die Impedanz des Festkörpers für die longitudinalen Wellen, &rgr;, sllongitudinal sind die Dichte und die longitudinale Ultraschallgeschwindigkeit des Festkörpers entsprechend, und &rgr;Flüssigkeit ist die unbekannte Dichte der Flüssigkeit.

Das Verfahren ist auch schon lange Zeit bekannt. Die wesentlichen Modernisierungen des Verfahrens, die zu erhöhter Stabilität von Messergebnissen und zur Vereinigung der Messungen des Reflexionsfaktors und der Ultraschallgeschwindigkeit in einem Messvorgang dienen, sind in /6, 7/ vorgestellt.

Trotz breites Einsatzes hat das Verfahren einen bekannten Nachteil, der in der nicht genug hohen Auflösung der Dichtenänderungen besteht. Wenn z. B. als Stoff des Wellenleiters Aluminium eingesetzt wird und akustische Parameter des Überwachungsmediums zum Wasser ähnlich sind, bekommt man die Relativänderung des Reflexionsfaktors in Höhe von 0,001 bei 5% Dichtenabweichung. Deswegen nutzt man einige besondere Stoffe, die über einen kleinen akustischen Widerstand verfügen (z. B. Zerodur, der Fa. Siemens nutzt).

Jedoch sogar in diesem Fall bleiben die Relativänderung des Reflexionsfaktors ziemlich niedrig: bei der &rgr;Wellenleiter = 2,2 g/cm3 und sWellenleiter = 1800 m/s wird die Relativänderung des Reflexionsfaktors in Höhe von 0,015 bei 5% Dichtenabweichung.

Falls man die Messungen der Dichte und der Ultraschallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit zum Zweck der Berechnung der Viskosität weiter nutzt, taucht noch ein Problem dazu auf.

Zur Messung des Reflexionsfaktors muss ein Impulsmessverfahren eingesetzt werden, um einen großen Einfluss von Eigenschaften des Wellenleiters auf Messergebnisse zu vermeiden. Jedoch brauchen die präzisen Messungen der Resonanzfrequenzverschiebung des Wandlers (sieh. die Formel (3)) die kontinuierliche Schwingungen des Wandlers. Damit fordert die Realisierung des Viskositätsmessungen zwei verschiedene Messeinrichtungen.

Als andere wichtige Informationsquelle über der Flüssigkeitseigenschaften gelten die Messungen von Energieverlusten, die jede Ausbreitung des Ultraschallschwingungen begleiten /8/. Physikalische Gründe dafür bestehen darin, dass die Ausbreitung von Schallwellen ist stets an ein materielles Medium gebunden, von dessen Art und Aufbau die Wellenausbreitung abhängt. Dazu wichtig ist, dass ein Impulsverfahren bei solchen Messungen typischerweise auch einsetzt werden kann.

Jedoch praktisch nutzt man keine Verlustmessungen, bzw. keine Messung des Absorptionsfaktors des Ultraschalls zur die Überwachung der Qualität von technischen Flüssigkeit. Das ist damit verbunden, dass einer gemessenen Absorptionsfaktor des Ultraschalls &agr;exp erimentell in beliebiger Flüssigkeit über zwei Beiträge verfügt (für die meisten technischen Flüssigkeiten kann man die Verluste wegen thermische Leitfähigkeit vernachlässigen): die Verluste, die durch die normale (oben betrachtete) Viskosität &eegr; verursacht werden und die Verluste, die durch die so genannte Volumenviskosität &xgr; beschrieben werden.

Der zweite Anteil ist zum Überwachungszweck besonders interessant, da er wegen einer Verletzung des Gleichgewichtzustandes von inneren Bestandteilen der Flüssigkeit durch die Ultraschallauswirkung entsteht.

Jedoch um diesen Anteil aus der Messung des Ultraschalldämpfungsfaktors berechnen zu können, müssen die Viskosität und die Dichte der Flüssigkeit immer genug präzise bekannt sein.

Jedoch wegen der oben besprochenen Ursachen stellen konventionelle Messverfahren keine akzeptablen Möglichkeiten zur Verfügung, um die Messungen der Volumenviskosität als einen Parameter zur Qualitätsüberwachung von technischen Flüssigkeiten zu nutzen.

Als Zusammenfassung des Standes der Technik kann man folgendes feststellen.

  • 1. Alle betrachteten Verfahren basieren auf der Messung des Energieverlusts der Welle, der durch die untersuchte Flüssigkeit verursacht ist.
  • 2. Physikalische Ursache dieses Energieverlustes ist die Energieausstrahlung in die untersuchte Flüssigkeit.
  • 3. Zur Messung sind Volumenwellen (transversale oder longitudinale) eingesetzt.
  • 4. Da den Rückeinfluss der Flüssigkeit in beiden Fällen zur Amplitudenabnahme der Welle führt, nutzt man die Messungen der Amplitudenabnahme als Informationsquelle über Eigenschaften von Flüssigkeiten aus.
  • 4. Numerische Einschätzungen zeigen, dass akustische Impedanz der Flüssigkeit niedriger als akustische Impedanz des Festkörpers für beide elastischen Wellen ist. Besonders bezieht das sich auf die schere akustische Impedanz, mindestens bei Frequenzen bis zu &ohgr; ≈ 108 rad/sec–1 und Viskositäten bis zu 1 ... 2 Pois.

Dadurch besteht der Hauptnachteil von betrachteten Verfahren in relativ schlechte Messauflösung.

Aufgabe:

Die Aufgabe der unten beschriebenen Erfindung ist die Entwicklung des Verfahrens und der Einrichtung zu seiner Realisierung, um die Möglichkeit zu gewährleisten, mittels einer vom selben Typ Ultraschall Messtechnik die wichtigsten physikalischen Parameter von unterschiedlichen technischen Flüssigkeiten und zwar die Viskosität, Dichte, Kompressibilität, Volumenviskosität zusammen oder getrennt On-Line präzis zu messen und dadurch eine zuverlässige Aussage über die Qualität von unterschiedlichen technologischen Prozessen und/oder über die Zusammensetzung der Flüssigkeiten zu gewinnen.

Lösung:

Die Lösung beinhaltet die Messung der Amplituden von Ultraschallsignalen der transversalen und/oder longitudinalen Schwingungen in einem Festkörper, der sich im akustischen Kontakt mit einer untersuchten Flüssigkeit befindet und basiert auf sowohl die Auswahl der Messgeometrie zur Erzeugung, bzw. zum Empfang von Ultraschallschwingungen in diesem Festkörper als auch auf die Auswahl der geometrischen Form dieses Festkörpers solcher Weise, dass der Flächeninhalt der im akustischen Kontakt mit der untersuchten Flüssigkeit befindenden Oberfläche dieses Festkörpers m Mal größer, als Flächeninhalt des Querschnittes des Ultraschallbündels im Festkörper ist, dabei bedeutet der Faktor m eine erwünschte bzw. notwendige Vergrößerung der Genauigkeit bzw. der Auflösung der Messung von untersuchten Parametern der Flüssigkeit im Vergleich mit der Ergebnissen, die aus dem Verhältnis

oder
berechnet werden.

Zuerst betrachten wir die Viskositätsmessungen von Flüssigkeiten. Zur Vereinfachung wird als Festkörper, in dem Ultraschallwellen ausbreiten, eine dünne Platte, bzw. eine Folie mit der Stärke h und der Länge l ausgewählt. Man erzeugt bzw. empfängt (Bild 1), z. B. mittels eines Keils in diesem Festkörper die transversale Wellen, deren Verschiebungen zur Seitenoberfläche des Festkörpers parallel sind und der Wellenvektor zur Längenrichtung parallel ist.

Wie es gut bekannt ist /9/, entstehen in der Platte verschiedene eigene sowohl symmetrische als auch antisymmetrische Welle, die sich in die Richtung der x-Achse ausbreiten (Bild 1) und über die einzelne Komponente der Verschiebungen und zwar der y-Achse entlang verfügen. Wenn sich die Oberfläche des Festkörpers im Kontakt mit einer Flüssigkeit befindet, ändern sich die Randbedingungen für die Wellen im Festkörper. Im Gegenteil der freien Seitenoberfläche der Platte in diesem Fall entstehen mechanische Scherspannungen auf der Kontaktoberfläche.

Wie unsere Messungen gezeigt haben, wenn die Viskosität von untersuchten Flüssigkeiten nicht zu groß (bis zu einigen Poise) ist und man einen Frequenzbereich bis zu 10 MHz nutzt, bringt die Verletzung der Randbedingungen durch die auf der Oberfläche entstehende Scherspannungen nur Änderungen der Wellenamplituden im Vergleich mit einer freien Oberfläche.

Keine Änderungen sind in der Anzahl der Wellen und ihre Verteilung experimentell festgestellt worden. Gleiche Zusammenschlüsse kamen aus theoretischer Betrachtung.

Wie es auch gut bekannt ist /9/, im allgemeinen Fall entstehen gleichzeitig viele Wellen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreiten. Dadurch fordert die Nutzung einer ausgewählten Wellenmode entsprechende Filtrierungsmaßname, die mittels elektronischer Empfangseinrichtung und des Keilswinkels durchgeführt werden soll.

Zur Vereinfachung betrachten wir symmetrische normale transversal-horizontale Welle der Null-Größenordnung. Dafür wählt man die Dicke der Platte/der Folie dünner, als 14 der Wellenlänge. Die Vereinfachung besteht darin, dass nur eine Wellenmode und zwar normale symmetrische transversal-horizontale Welle der Null-Größenordnung in diesem Fall entsteht und ausbreitet.

Die quantitativen Einschätzungen können folgender Weise durchgeführt werden.

Die akustische Energie E, die eine Ultraschallwelle in die x-Richtung in eine Zeiteinheit überträgt ist:

Hier ist u0 die Amplitude der Schwingungsgeschwindigkeit in der Ultraschallwelle, b ist die Breite des Ultraschallbündels, hBündel ist die Stärke des Bündel, dabei, wenn die Stärke des Festkörpers dünner als Stärke h des Bündels ist und die ausgewählten Wandlerabmessungen groß genug sind, folgt: hBündel = h.

Die Energieverluste dE, die wegen der Reibung zwischen einem Element der Festkörperoberfläche mit der Abmessungen b*dx und einer Flüssigkeit, die über eine Viskosität &eegr; verfügt. ist /10/:

Aus (5) und (6) folgt

Die Losung der Gleichung (7) lautet:

E00 hat die klare physikalische Bedeutung – die vom Ultraschallsender ausgestrahlte Energie (x = 0). In Wirklichkeit findet die Energieabnahme nicht nur durch die Reibung auf der Oberfläche des Festkörpers, sondern auch wegen der Energieabsorption im Stoff des Festkörpers. Dadurch muss der Faktor im Exponenten der Formel (8) mit &agr;&eegr; + &agr;F ersetzt werden, wo &agr;F die Absorptionskonstante des Festkörperstoffes ist und kann die Formel (8) folgender-maßen umgeschrieben werden:

Dabei bedeutet Energie E0 die Energie des angekommenen Impulses ohne Einfluss der untersuchten Flüssigkeit bzw. befindet sich der Festkörper in der Luft. Wenn der Ausbreitungsweg des Ultraschallimpulses vom Sender zum Empfänger 2l ist, kann das Verhältnis

aus dem Vergleich der Signalamplituden in der Abwesenheit und in der Anwesenheit der Flüssigkeit bestimmt werden:

In Praktik ist es oft sinnvoller, zuerst die Energie/die Amplitude des angekommenen Impulses nicht in der Luft, sondern in einer Flüssigkeit mit vorbekannten physikalischen Parametern zu messen. Dabei gilt:

Der Faktor &agr;k zieht in Betracht den Einfluss der Kalibrierflüssigkeit auf die Signalamplitude.

In diesem Fall wird die unbekannte transversale Impedanz folgendermaßen berechnet:

Hier ist Zkshear die transversale Impedanz der Kalibrierungsflüssigkeit, die aus ihrer bekannten physikalischen Parameter vorläufig berechnet wird.

Wie es aus der Formel (10), bzw. (10a) leicht zu sehen ist, bekommt man den Gewinn in der Änderung der Messgrößen bzw. in der Messgenauigkeit und Messauflösung m Mal im Vergleich mit dem konventionellen Verfahren.

Zu gleichen Ergebnissen kann man kommen, falls einige andere eigene Mode der Festkörper-Schwingungen, z. B. die erste Größenordnungsmode genutzt werden.

Ähnlicher Weise können die Messungen der Dichte von Flüssigkeiten betrachtet werden.

Jedoch in diesem Fall müssen die Welle, die hauptsächlich über die senkrechte zur Oberfläche des Festkörpers Schwingungskomponente verfügen, eingesetzt werden, z. B. Oberflächenwellen und unter bestimmten Voraussetzungen Lamb Wellen.

Der Einsatz dieser Wellen zur Messung der Dichten von Flüssigkeiten hat folgende physikalische Gründe. Abstrahierend vom Energieverlust im Festkörperstoff werden die Energieverluste bei der Ausbreitung dieser Wellen im Unterschied von SH-Wellen durch die Ausstrahlung des Ultraschalls in die Flüssigkeit verursacht.

Es ist klar, dass diese Ausstrahlung zu dem Flächeninhalt der Festkörperoberfläche proportional ist. Von anderer Seite, wird der Energiefluss, den einer Ultraschallwandler produziert/empfängt im Fall der Oberflächenwellen in einer Schicht mit der Stärke ca. 1 ... 2 Wellenlänge platziert (Bild 2).

Im Fall der Lamb Welle befindet sich der Energiefluss, wie es im Bild 2 für die normalen SH-Wellen vorgestellt ist, im Querschnitt der Platte.

Dadurch je länger der Oberfläche in die Richtung der Ultraschallausbreitung im Vergleich mit der Stärke des Bündels, desto stärker der Einfluss der Flüssigkeit auf die Parameter der im Festkörper ausbreitenden Welle wird.

Im allgemeinem Fall findet die Abnahme der Amplitude/der Energie einer im akustischen Kontakt mit einer Flüssigkeit befindende Oberflächenwelle sowohl durch die Absorption im Stoff des Festkörpers als auch durch die Energieausstrahlung in die Flüssigkeit statt.

Die Abhängigkeit der Amplitude A(x) der Welle, die einen Weg x in die x-Richtung durchgelaufen ist, sieht folgendermaßen aus: A(x) = A00exp(&agr;Rx – &agr;&rgr;x) = A0exp(–&agr;&rgr;x).(12)

Hier ist &agr;R der Absorptionsfaktor, der die Energieabsorption im Stoff des Festkörpers beschreibt, &agr;&rgr; zeigt den Amplitudenverlust durch die Ausstrahlung in die Flüssigkeit pro eine durchgelaufene Wegeinheit, A0 entspricht der Wellenamplitude in einem Empfangpunkt im Fall der Abwesenheit des akustischen Kontaktes mit der Flüssigkeit.

Theoretische Berechnungen des Absorptionsfaktors &agr;R basieren auf die Lösung der entsprechenden Dispersionsgleichung /11/.

Jedoch wie numerische Berechnungen und unsere Messungen zeigen, kann man den Absorptionsfaktor für den Festkörper aus Aluminium/Stahl und für die Flüssigkeiten, deren Ultraschallgeschwindigkeiten und Dichte sich in Bereiche entsprechend 1400 ... 1700 m/s und 0.7 ... 1,5g/cm3 befinden, mit dem Fehler niedriger als 1% in folgender einfacher Form darstellen:

Hier sind &bgr; ein Proportionalitätsfaktor und &lgr;R die Wellenlänge der Oberflächenwelle.

Aus Formeln (12) und (13) ist leicht zu sehen, dass die Abnahme der Impulsamplitude nach der Ausbreitungstrecke 2l, falls m ≫ &lgr;R ist, sehr groß werden kann, was, natürlich, die Messgenauigkeit/Messauflösung wesentlich verbessert. Das Verhältnis

ist zu berechnen

In Praktik ist es sinnvoller den Proportionalitätsfaktor nicht theoretisch zu berechnen, sondern per Kalibrierung zu bestimmen. Die Kalibrierung, wie auch weitere Messungen stellt voraus, dass akustische Parameter des Festkörpers bekannt sind. Dann setzt man eine Flüssigkeit mit bekannten Dichte und Ultraschallgeschwindigkeit ein und misst man die Abnahme der Impulsamplitude nach der Ausbreitungstrecke 2l. Weiteres folgt aus der Formel (14).

Ähnliche Ergebnisse können prinzipiell durch den Einsatz der Lamb Wellen erzielt werden.

Wie es aus der theoretischen Analyse /11/ und unserer Messungen folgt, wird der Einfluss der Ausstrahlung der Ultraschallenergie in die Flüssigkeit auf die Ausbreitungsparameter im Fall der Lamb Wellen noch wesentlicher ausgeprägt. Dabei kann man unterschiedliche Mode von Lamb Wellen und verschiedene Stoffe zur Plattenherstellung zum Optimieren nutzen. Z. B. folgt aus unserer Messungen, dass sehr zuverlässige Messungen der Dichte der Flüssigkeiten stattfinden, wenn die symmetrische Null Größenordnung Lamb Mode in der Platte aus Al erzeugt/empfängt wird und wenn die Verhältnisse zwischen der Festkörperstärke und der Wellenlänge die Abwesenheit der Dispersion der Ultraschallgeschwindigkeit gewährleisten.

Beim Einsatz des Ultraschalls zum Zweck der Qualitätsüberwachung mittels der Ultraschallmessung taucht oft eine wesentliche Fehlerquelle auf und zwar den Temperatureinfluss auf Messergebnisse: Änderungen des Temperatur und der Temperaturverteilung in untersuchten Flüssigkeiten.

Um diese Einflusse konventionell in Betracht zu ziehen, setzt man einen passenden Temperatursensor ein, der die Information über Temperatur in einem Punkt liefert. Jedoch ist es oft nicht ausreichend, da die Ultraschallsignale durch eine ganze Strecke ausbreiten, wo Temperaturgradienten wegen einer nicht genügenden Wärmeleitfähigkeit immer da sind.

Natürlich kann man mehrere Temperatursensoren einsetzen, jedoch dadurch werden solche Messungen sehr aufwendig.

Das von uns entwickelte, unten beschriebene Verfahren besteht in den Messungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer eigenen Mode der SH-Welle in einer dünnen Metall-Platte, die mit einer Flüssigkeit, deren akustische Eigenschaften gemessen werden sollen, kontaktiert. Wie es aus theoretischer Betrachtung folgt und durch unsere Messungen bestätigt wird, hängt diese Geschwindigkeit hauptsächlich von Temperatur der Platte und sehr schwach von physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Z. B. ist die Änderung der Geschwindigkeit der Null Größenordnung SH-Wellen für die Grenze Al-Wasser bei der Frequenz 1 MHz durch den Einfluss der Flüssigkeit ca. 0,01% und durch die Temperatureinfluss (+/– 1°C) ca. 0,3%.

Es ist klar, dass einen dünnen Festkörper aus Metall dank seiner guten Wärmeleitfähigkeit das mittlere Umgebungstemperatur aufnimmt. Damit besteht die Möglichkeit, Temperatur der Flüssigkeit auf eine vorgewählte Strecke, z. B. im Bereich der Ausbreitungsstrecke des Ultraschallsbündels, der zur Messung von Parametern der Flüssigkeit eingesetzt wird, einfach zu ermitteln. In bestimmten Fällen kann man die Messungen, z. B. die Viskositätsmessungen, in sich mit der Temperatur- bzw. mit Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen der normalen SH-Wellen im Festkörper vereinigen.

Damit wird der Temperatureinfluss auf die mittels Ultraschalls gemessenen Parameter der Flüssigkeit präziser im Betracht gezogen und die Zuverlässigkeit der Aussagen wesentlich steigert.

Die oben geschilderten technischen Lösungen verbessern wesentlich die Genauigkeit der Messungen sowohl der Dichte als auch der Viskosität. Dadurch werden auch die Messungen der Volumenviskosität sinnvoll.

Wie es bekannt ist und schon erwähnt wurde, als Informationsquelle über die Volumenviskosität &xgr;(&ohgr;) dienen die Messungen des Ultraschallabsorptionsfaktors &agr;exp erimentell. Jedoch beinhalten solche Messergebnisse auch den Beitrag der übrigen Viskosität &eegr;(&ohgr;) /13/:

Hier sind &tgr;&eegr;, &tgr;&xgr; einige charakteristische Zeiten, die beschreiben, wie schnell sich der durch Messungen verletzte innere Gleichgewichtzustand wieder herausbilden kann.

Deswegen um die Möglichkeit zur Messung der Volumenviskosität zu schaffen, muss der Ultraschallabsorptionsfaktor ergänzend zur Dichte, Viskosität und Geschwindigkeit der Ultraschallausbreitung in der untersuchten Flüssigkeit gemessen wird, und dann kann die Volumenviskosität aus Formel (15) berechnet werden.

Dabei wie das aus Formel (15) zu sehen ist, verfügen prinzipiell beide Viskositäten über eine Dispersion. Mit anderem Wort hängen gemessene Werte von der Messfrequenz ab. Auch wie es bekannt ist /12/, ist die gemessene Ultraschallgeschwindigkeit von der Messfrequenz abhängig. Normalerweise sind die charakteristischen Zeiten ziemlich klein, z. B. falls die Viskosität die Großenordnung ein paar Poisen hat, haben &tgr; eine Großenordnung 10–10 Sec. und spielt die Dispersion keine bemerkbare Rolle für Frequenzen bis zu 108 Hz. Jedoch wenn es schon bekannt ist, dass die untersuchten Flüssigkeiten über eine große Viskosität verfügen, oder gibt es keine Vorkenntnisse in Bezug auf der Viskosität, müssen alle Parameter, die zur Berechnung des viskosen Absorptionsfaktors notwendig sind, bei der gleichen Frequenzen gemessen werden. Die oben beschriebenen Verfahren stellen solche Möglichkeit zur Verfügung.

Da alle oben beschriebenen Verfahren der Parametermessung auf die Messungen von Amplituden der Ultraschallsignale beruhen, spielt die Stabilität der Energieübertragung vom Wandler zum Festkörper hin und vom Festkörper zum Wandler zurück ganz wichtige Rolle.

Deswegen steigert die Zuverlässigkeit von Messergebnissen, wenn die Kontrolle dieser Stabilität, z. B. mittels der Nutzung von einigen Referenzsignalen, stattfindet.

Zu diesem Zweck dienen die untenbeschriebenen technischen Lösungen zur Realisierung von vorgeschlagenen Verfahren.

Wie es aus der zerstörungsfreien Prüfungstechnik bekannt ist, falls einer Keil zur Erzeugung/zum Empfang des Ultraschalls in einem Festkörper genutzt wird, kann die Überwachung der Stabilität von Wandlerparametern mittels der ständigen Messungen der Amplituden von Impulsen, die eine oder mehrer Reflexionen im Keil hatten, stattfinden /12/.

Der Hauptnachteil der ähnlichen verschiedenen Realisierungen besteht darin, dass das Niveau der Energie, die im Festkörper hin und zurück durchläuft, unkontrolliert bleibt. Das Ziel der unten beschriebenen Einrichtungen ist die Überwindung dieses Nachteils.

Die Lösung besteht darin, dass die Einrichtung als Referenzsignale eine Nebenausstrahlung gerade vom Sender zum Empfänger nutzt.

Diese Entstehen verschiedener Nebenausstrahlungen, falls einen Ultraschallimpulsbündel aus einem Medium (der Senderkeil) auf eine Grenze mit anderem Festkörper (die Platte, die Folie usw.) fällt, ist damit verbunden, dass die durch den Sender erzeugten Schwingungen über die räumliche und zeitliche Beschränktheit verfügen.

Die Amplitude dieser ergänzenden Schwingungen lässt schnell nach. Jedoch wenn beide Keile (vom Sender und vom Empfänger) nebeneinander (der Abstand ist ein paar mm) platziert werden (Bild 3), können die Impulsamplituden, die viel früher als die in Festkörper (z. B. in der Platte/Folie) ausbreitenden Welle ankommen, sicher gemessen werden.

Solcher Weise wird der Ultraschallenergiefluss durch die Grenze immer beobachtet und können die entstehenden Änderungen sofort zur Berechnung der Verbesserungen (als Referenzwerte) in Betracht gezogen werden.

Andere Einrichtungsrealisierung nutzt den Fakt, dass, obwohl der Sender an einer Oberfläche des Festkörpers befestigt ist, schwingen beide Oberfläche des Festkörpers sowohl im Fall der normalen SH-Wellen und der Lamb Wellen, als auch im Fall der Oberflächenwellen. Dafür gibt es die folgende physikalische Erklärung.

Bei der Nutzung der normalen SH-Wellen oder auch der Lamb Wellen schwingt der Festkörper (z. B. Platte/Folie) als eine Ganze. Mit anderem Wort bewegen sich beide Oberflächen in der Phase oder in der Gegenphase.

Beim Erzeugen der Oberflächenwellen bringt die Welle nur eine Oberflächenseite in Bewegung, jedoch wenn diese Welle das Ende des Festkörpers erregt, geht die Welle auf andere Oberflächenseite über und breitet weiter in die Richtung des Senders aus.

Dadurch besteht die Möglichkeit, zur Ultraschallerzeugung und -empfang zwei Wandler, die an beiden gegenüber liegenden Seiten des Festkörpers befestigt sind, zu nutzen (Bild 4).

Dabei ist die gegenseitige Platzierung solcher Weise optimiert, um die maximale Amplitude der Nebenausstrahlung zu gewährleisten. Die Filtrierung der Messimpulse von der Nebenausstrahlung stellt kein Problem dar, weil ihre Ankommenszeiten sehr verschieden sind.

Literatur

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Anspruch[de]
Ultraschallimpulsverfahren zur Messung der Viskosität und der Dichte von Flüssigkeiten mit folgenden Schritten:

– Erzeugung bzw. Empfang von Schwingungen in einem Festkörper, dessen akustische Eigenschaften vorher bekannt sind bzw. gemessen wurden und dessen geometrischen Form so ausgewählt ist, dass der Flächeninhalt der Oberfläche/Oberflächen, die sich im akustischen Kontakt mit der untersuchten Flüssigkeit befindet/befinden, m Mal größer, als der Flächeninhalt des Querschnittes des Ultraschallbündels ist, wobei der Wellenvektor der Schwingungen parallel zur Oberfläche des Festkörpers ist und die empfangenen Ablenkungskomponenten der Schwingungen sich in der Oberflächenebene (tangentiale) oder in der Senkrechten zur Oberflächenebene (vertikale) befinden.

– Messung der Geschwindigkeit des Ultraschalls in der untersuchten Flüssigkeit und der Amplitude der angekommenen Welle mit vertikalen Ablenkungskomponenten.

– Berechnen des Verhältnisses der longitudinalen Impedanz der Flüssigkeit/Festkörperimpedanz aus der gemessenen Geschwindigkeit des Ultraschalls in der Flüssigkeit, der Amplitude und der vorher bekannten bzw. gemessenen Festkörperimpedanz des ausgewählten Schwingungstyps.

– Berechnen der Dichte der untersuchten Flüssigkeit aus der berechneten longitudinalen Impedanz der Flüssigkeit und der gemessenen Geschwindigkeit des Ultraschalls in der untersuchten Flüssigkeit.

– Messung der Amplitude der angekommenen Wellen mit tangentialen Ablenkungskomponenten.

– Berechnen des Verhältnisses der transversalen Impedanz der Flüssigkeit aus der gemessenen Geschwindigkeit des Ultraschalls in der Flüssigkeit, der Amplitude und der vorher bekannten bzw. gemessenen Festkörperimpedanz des ausgewählten Schwingungstyps.

– Berechnen der scheren Viskosität der untersuchten Flüssigkeit aus der berechneten tangentialen Impedanz der Flüssigkeit und der Dichte.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper in Form einer Platte oder eines Rohres zur Erzeugung einer normalen transversal horizontalen Welle (SH-Welle) nullter oder erster Größenordnung zur Messung der transversalen Impedanz der Flüssigkeit bzw. der scheren Viskosität der Flüssigkeit hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass eine Oberflächenwelle im Festkörper zur Erzeugung der vertikalen Ablenkungskomponenten der Schwingungen bzw. zur Messung der longitudinalen Impedanz der Flüssigkeit eingesetzt ist, wobei der Festkörper in Form einer Platte oder eines Rohres hergestellt ist. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Lamb Welle im Festkörper zur Messung der longitudinalen Impedanz bzw. der Dichte der Flüssigkeit erzeugt wird und ihre vertikale Ablenkungskomponente empfangen wird, wobei der Festkörper in Form einer Platte oder eines Rohres hergestellt ist und die Mode der Lamb Welle in solcher Weise ausgewählt ist, dass ein Teil der Wellenenergie als longitudinale Welle in die untersuchte Flüssigkeit ausgestrahlt wird. Verfahren nach den Ansprüchen 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallabsorptionsfaktor in der untersuchten Flüssigkeit ergänzend zur Ultraschallgeschwindigkeits-, Dichte- und Viskositätsmessung gemessen wird und dann die Volumenviskosität der untersuchten Flüssigkeit als Unterschied zwischen dem gemessenen Ultraschallabsorptionsfaktor und dem aus gemessenen Parametern berechneten viskosen (klassischen) Ultraschallabsorptionsfaktor berechnet wird. Verfahren nach den Ansprüchen 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Messungen in gleicher Weise in zwei Flüssigkeiten durchgeführt werden, eine von denen über bekannte Dichte und schere Viskosität verfügt und dann die Dichte und schere Viskosität zweiter bzw. der untersuchten Flüssigkeit aus Messergebnissen beider Messungen berechnet werden. Verfahren nach den Ansprüchen 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere aktuelle Temperatur der untersuchten Flüssigkeit mittels der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Mode der SH-Welle in einem sich in der Flüssigkeit befindendem Festkörper, z. B. einer dünnen Platte oder eines dünnen Rohres, gemessen wird, und dabei das Verhältnis zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Mode und der Flüssigkeitstemperatur durch eine Kalibrierung festgestellt wird. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung und zum Empfang des Ultraschalls zwei Winkelprüfköpfe eingesetzt werden, dabei diese Prüfköpfe neben einander und parallel zu einander platziert in solcher Weise konzipiert sind, dass einer der Wandler die Amplitude der Welle, deren Ausbreitung durch die Impedanz der untersuchten Flüssigkeit beeinflusst wird, empfängt und der andere Wandler die Amplitude der Welle, deren Ausbreitung durch die Impedanz der untersuchten Flüssigkeit nicht beeinflusst wird empfängt, wobei die Amplituden der Welle, die sich ohne Kontakt mit der untersuchten Flüssigkeit ausbreitet, als Referenzwerte zur Berechnung von Parametern der untersuchten Flüssigkeit genutzt werden. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung und zum Empfang des Ultraschalls zwei Winkelprüfköpfe eingesetzt werden, wobei diese Prüfköpfe an beiden gegenüber liegenden Seiten des Festkörpers und einander gegenüber in solcher Weise platziert sind, dass der Empfänger sowohl die Welle, deren Ausbreitung durch die Impedanz der untersuchten Flüssigkeit beeinflusst wird als auch die Welle, die gerade vom Sender ohne Einfluss der untersuchten Flüssigkeit ankommt, empfängt, wobei die Amplitude der Welle, die sich ohne Kontakt mit der untersuchten Flüssigkeit ausbreitet, als Referenzwert zur Berechnungen von Parametern der untersuchten Flüssigkeit genutzt wird.






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