DE19601944C2 - Device for measuring acoustic quantities in fluids - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen, wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz, in Fluiden.The invention relates to a device for measurement of acoustic quantities, such as the speed of sound, Sound absorption and / or acoustic impedance, in Fluids.
Im Stand der Technik wird die Schallgeschwindigkeit bzw. die Schallabsorption nach unterschiedlichen Ver fahren gemessen. Bei den sogenannten Ultraschallreso nanzverfahren werden in dem zu untersuchenden Fluid stehende Schallwellen erzeugt, wobei sich zwei ebene Schallwandler, eine Meßstrecke einschließend, gegen überstehen. Aus der Frequenz der stehenden Schallwel le und den Abmessungen der Meßstrecke läßt sich die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid der Meßstrecke ermitteln. Eine derartige Anordnung ist in der Ver öffentlichung Burda, W., Becker, W.-J., Ultraschall- Resonanz-Meßgerät für die Fluid-Prozeßmeßtechnik, Technisches Messen 60 (1993) 10, Seiten 376 bis 382, beschrieben. An die Ausrichtung beider Schallwandler zueinander werden extrem hohe Forderungen gestellt, da hierdurch die erreichbare Genauigkeit der Meßein richtung wesentlich bestimmt wird, so daß eine auf wendige Justierung vorgenommen werden muß. Weiterhin müssen identische Schallwandler verwendet werden, die jedoch kaum zu realisieren sind, da selbst bei iden tisch gefertigten Schallwandlern unvermeidbare Unter schiede in den Übertragungseigenschaften auftreten. Hieraus resultiert unter anderem eine relativ kompli zierte und kaum reproduzierbare Schallfeldgeometrie zwischen den beiden Schallwandlern in der zu unter suchenden Flüssigkeit.In the prior art, the speed of sound or the sound absorption according to different ver drive measured. With the so-called ultrasound reso Financial procedures are carried out in the fluid to be examined standing sound waves are generated, with two levels Sound converter, including a measuring section, against survive. From the frequency of the standing sound wave le and the dimensions of the measuring section Velocity of sound in the fluid of the measuring section determine. Such an arrangement is in the Ver Burda, W., Becker, W.-J., ultrasound Resonance measuring device for fluid process measurement technology, Technischen Messen 60 (1993) 10, pages 376 to 382, described. The alignment of both transducers extremely high demands are made on each other, because the achievable accuracy of the measurement direction is essentially determined so that one on agile adjustment must be made. Farther identical sound transducers must be used which however, are hardly feasible because even at iden table-made transducers inevitable sub differences occur in the transmission properties. Among other things, this results in a relatively complicated graceful and hardly reproducible sound field geometry between the two transducers in the to below seeking liquid.
Aus der DE 34 20 794 A1 ist eine Einrichtung zur Un tersuchung von Flüssigkeitseigenschaften durch die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls bekannt, bei der gleichfalls zwei Schallwand ler vorgesehen sind, die eine Meßstrecke einschlie ßen, wobei bei dieser Einrichtung die Schallgeschwin digkeit über die Laufzeit bestimmt wird, die ein Schallimpuls zum Durchlaufen der Meßstrecke benötigt. Zur akustischen Entkopplung der Schallwandler unter einander ist bei dieser bekannten Einrichtung ein erheblicher konstruktiver Aufwand notwendig. Dies gilt insbesondere zur akustischen Analyse geringer Flüssigkeitsmengen.DE 34 20 794 A1 describes a device for the Un investigation of liquid properties by the Determination of the propagation speed of the Known sound, also in the two baffle ler are provided, which include a measuring section essen, with this device the sound speed is determined over the term that a Sound pulse needed to pass through the measuring section. For acoustic decoupling of the sound transducers under each other is in this known device considerable design effort required. This applies in particular to acoustic analysis less Amounts of liquid.
Die bei den bekannten Verfahren verwendeten plan parallel angeordneten Wandleranordnungen verursachen beim Einbau in Rohrsystemen erhebliche Störungen des Strömungsprofils und konstruktionsbedingt auch Wirk druckverluste beim Fluidtransport, so daß häufig eine solche Anordnung nicht anwendbar ist. Zur Verringe rung der Rückwirkung der Schallwandlerkonstruktion auf das Strömungsprofil in Rohrsystemen sind Anord nungen bekannt, bei denen ebene Schallwandler mit einer der zylindrischen Oberflächengeometrie des Roh res angepaßten Koppelschicht kombiniert werden. Diese Anordnung weist aber entscheidende Nachteile auf. Im allgemeinen muß berücksichtigt werden, daß die Ände rung der Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Fluids das Schallfeld durch die von der geometrischen Form der Koppelschicht verursachten Fokussierung stark verändert, was die amplituden- und auch zeit abhängige Auswertung der Empfangs- und Echosignale erheblich beeinträchtigt. Oft werden auch nicht die Forderungen an die zulässigen Toleranzen hinsichtlich Übertragungsfunktion des Schallwandlers und deren mechanischen Anordnung bzw. Ausrichtung erfüllt. Dar über hinaus sind zur Vermeidung der Ausbreitung stö render und unerwünschter Oberflächenwellen bzw. wei terer Schwingungsmoden die zuverlässige akustische Entkopplung der beiden Wandler im Rohr zu gewährlei sten. Aus der Sicht der Herstellbarkeit werden an die einzelnen an der Konstruktion beteiligten Schichten bezüglich ihrer Maßhaltigkeit extreme Forderungen gestellt. Während dies noch mit entsprechendem Auf wand technologisch gut beherrscht wird, erweist sich meist die Konfektionierung bzw. Montage der Schall wandler (Kleb- oder Lötverbindungen) als nicht zuver lässig reproduzierbar.The plan used in the known methods cause transducer arrangements arranged in parallel when installing in pipe systems considerable disruption of the Flow profile and construction-related effectiveness pressure losses during fluid transport, so that often a such an arrangement is not applicable. To reduce tion of the feedback of the transducer construction are on the flow profile in pipe systems known, where flat transducers with one of the cylindrical surface geometry of the raw res matched coupling layer can be combined. This However, arrangement has decisive disadvantages. in the in general, it must be borne in mind that the changes tion of the speed of sound of the person to be examined Fluids the sound field through from the geometric Form of the coupling layer caused focusing greatly changed what the amplitude and also time dependent evaluation of the received and echo signals significantly affected. Often they don't Requirements regarding the permissible tolerances regarding Transfer function of the sound transducer and their mechanical arrangement or alignment met. Dar in addition, to avoid spreading, disturbances render and unwanted surface waves or white more vibration modes the reliable acoustic To ensure decoupling of the two transducers in the pipe most. From the point of view of manufacturability, the individual layers involved in the construction extreme demands regarding their dimensional accuracy posed. While this is still with corresponding up wall is technologically well controlled, proves usually the assembly or assembly of the sound converter (adhesive or soldered connections) as unreliable casually reproducible.
Aus "DER ULTRASCHALL" von Dr. L. Bergmann, 6. Aufla ge, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1954, Seiten 449 bis 452, ist ein Nachhallverfahren für sehr kleine Ab sorptionskoeffizienten bekannt, das als Kugelreso nanzverfahren ausgebildet ist. Dieses Verfahren dient ausschließlich zur Bestimmung der Schallabsorption und vorteilhafterweise in nur schwach absorbierenden Flüssigkeiten. Bei dem Kugelresonanzverfahren wird die zu messende Flüssigkeit in einem kugelförmigen Gefäß aufgenommen, wobei das Gefäß mit Hilfe einer Ringelektrode elektrostatisch zu Eigenschwingungen angeregt wird. Das bedeutet, daß über die Gefäßwand ein starkes akustisches Signal in die zu untersuchen de Flüssigkeit eingestrahlt wird und anschließend das Abklingverhalten der akustischen Schwingung des mit Flüssigkeit gefüllten Gefäßes ausgewertet wird. Dazu ist an dem Gefäß ein ADP-Kristall angebracht, über das piezoelektrisch die Schwingungsamplitude abgenom men und anschließend verarbeitet wird. Dieses Verfah ren ist sehr aufwendig und es läßt sich nicht bei spielsweise für beliebige Meßflüssigkeiten und belie bige Gefäßabmessungen verwenden.From "DER ULTRASCHALL" by Dr. L. Bergmann, 6th edition ge, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1954, pages 449 to 452, is a reverberation method for very small Ab sorption coefficient known as the spherical reso financial procedure is formed. This procedure serves only for determining sound absorption and advantageously in only weakly absorbent Liquids. With the spherical resonance method the liquid to be measured in a spherical Vessel added, the vessel using a Ring electrode electrostatically to natural vibrations is excited. That means that over the vessel wall a strong acoustic signal to examine in the de liquid is injected and then the Decay behavior of the acoustic vibration of the Liquid filled vessel is evaluated. To an ADP crystal is attached to the vessel the piezoelectrically reduced the vibration amplitude men and then processed. This procedure ren is very complex and it can not be for example for any measuring liquids and belie Use the other tube dimensions.
Die DE 35 13 215 C2 beschreibt einen zylindrischen piezoelektrischen Biegeschwingungswandler, an dem Elektroden derart vorgesehen sind, daß die durch zwei stoffschlüssig miteinander verbundene Lagen aufwei sende Zylinderwand sich rotationssymmetrisch zur Zy linderlängsachse verformen kann.DE 35 13 215 C2 describes a cylindrical piezoelectric bending vibration transducer on which Electrodes are provided such that the two Layers cohesively bonded to one another send cylinder wall is rotationally symmetrical to the zy longitudinal axis can deform.
Aus der DE-AS 11 66 506 ist eine Vorrichtung zum Mes sen von Drücken bzw. Druckdifferenzen offenbart, die einen mindestens einseitig mit Druck beaufschlagten Hohlkörper umfaßt. Der Hohlkörper ist als geschlosse ner Zylinder ausgebildet und ist Bestandteil eines rückgekoppelten, elektromagnetischen Schwingungssy stems, dessen Schwingungsfrequenz druckabhängig ist, wobei in dem Hohlkörper symmetrisch zu dessen Achse die Erregerspule und die Abtastspule angeordnet sind.From DE-AS 11 66 506 a device for measuring sen of pressures or pressure differences disclosed, the one pressurized at least on one side Includes hollow body. The hollow body is closed ner cylinder is formed and is part of a feedback, electromagnetic vibration system stems, whose oscillation frequency is pressure-dependent, being in the hollow body symmetrical to its axis the excitation coil and the sensing coil are arranged.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zur Messung von akustischen Größen, wie der Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder aku stischer Impendanz, von Fluiden zu schaffen, die eine genaue Messung der akustischen Größen auch bei klei nem Fluidvolumen gewährleistet, wobei der Aufbau der Wandleranordnung einfach sein soll und keine aufwen digen Justierarbeiten nötig sind.The invention has for its object a direction for measuring acoustic quantities, such as the Speed of sound, sound absorption and / or acu tical impedance of creating fluids that one exact measurement of the acoustic values even with small nem fluid volume guaranteed, the structure of the Converter arrangement should be simple and no expense adjustment work is necessary.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, daß der gleich zeitig als Sender und Empfänger dienende Schallwand ler aus Piezokeramik zylinderförmig ausgebildet ist, wird die Einstrahlung eines akustischen Signals (Kom pressionswelle bzw. Longitudinalwelle) gleichzeitig und phasenrichtig in das Innere des Zylinders, der mit dem zu untersuchenden Fluid gefüllt ist, reali siert. Nach der zum Mittelpunkt des Zylinders gerich teten konzentrischen Durchdringung des Fluids erfolgt der Empfang und die Auswertung des Schallsignals in tegral auf der gesamten Schallwandleroberfläche. Stö rende Effekte infolge der sich möglicherweise bilden den Fremdmoden können durch diese Art der Schallsi gnalerzeugung und geeigneten konstruktiven Maßnahmen weitgehend ausgeschlossen bzw. unterdrückt werden. Das Schallfeld ist in seiner Form sehr homogen und gut reproduzierbar. Aufgrund der radialsymmetrischen Form der Schallwandleranordnung werden die Anforde rungen hinsichtlich der mechanischen Konstruktion technologisch vorteilhafter beherrscht. Zusätzliche Schichten können den direkten Medienkontakt vermeiden oder die zielgerichtete Beeinflussung des akustischen Verhaltens des Schallwandlers ermöglichen. Durch die zylinderförmige Anordnung des Schallwandlers wird die Auflösung erheblich verbessert, so daß sehr viel kleinere Abmessungen für den Wandler im Vergleich zu üblichen akustischen Sensoreinrichtungen verwendet werden können, wodurch sich auch das für die akusti sche Analyse notwendige Fluidvolumen beträchtlich verringert. This object is achieved by the features of the main claim solved. In that the same baffle serving as transmitter and receiver is made of piezoceramic cylindrical, the radiation of an acoustic signal (com compression wave or longitudinal wave) simultaneously and in the correct phase inside the cylinder, the is filled with the fluid to be examined, reali siert. After that to the center of the cylinder The concentric penetration of the fluid takes place the reception and evaluation of the sound signal in tegral on the entire transducer surface. Troubles effects that may arise The foreign modes can by this kind of Schallsi signal generation and suitable design measures largely excluded or suppressed. The sound field is very homogeneous in shape and easily reproducible. Because of the radial symmetry The form of the sound transducer arrangement becomes the requirement mechanical design mastered technologically more advantageous. Additional Layers can avoid direct media contact or the targeted influencing of the acoustic Enable behavior of the transducer. Through the the cylindrical arrangement of the transducer is the Resolution significantly improved, so a lot smaller dimensions for the converter compared to usual acoustic sensor devices used can be, which also for the acousti required fluid volume considerably decreased.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind weitere Verbesserungen und Weiterbildungen möglich. Der zylinderförmige Schallwandler läßt sich direkt in Rohre einbauen, ohne das Strömungsprofil zu verändern oder einen Wirkdruckverlust zu verursachen. Durch Segmentierung des zylinderförmigen Schallwand lers können clamp-on-Meßeinrichtungen realisiert wer den. Weiterhin ist durch die Segmentierung eine rich tungsabhängige Auswertung möglich. Durch einfache konstruktive Maßnahmen zur Drehung des zylinderförmi gen Schallwandlers wird gewährleistet, daß sich auf der Oberfläche keine Beläge oder Luftblasen anlagern bzw. anhaften. Durch Vorsehen eines Außenzylinders kann in dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder und Schallwandler ein Medium geführt werden, das zur Küh lung bzw. bei definierter Temperatur zur Thermostati sierung des zylindrischen Schallwandlers und des zu untersuchenden Fluids dient. Wenn ein Referenzmedium in dem Zwischenraum vorgesehen wird, können die Meß genauigkeit weiter erhöht werden und Temperaturein flüsse kompensiert werden.By the measure specified in the subclaims men are further improvements and further training possible. The cylindrical sound transducer can be Install directly in pipes without closing the flow profile change or cause a loss of differential pressure. By segmenting the cylindrical baffle Clamp-on measuring devices can also be implemented the. Furthermore, the segmentation is a rich dependent evaluation possible. By simple constructive measures for the rotation of the cylindrical gene transducer ensures that on Do not deposit deposits or air bubbles on the surface or stick. By providing an outer cylinder can in the space between the outer cylinder and Acoustic transducers are led to the Küh tion or at a defined temperature to the thermostat sation of the cylindrical sound transducer and the investigating fluid. If a reference medium is provided in the space, the measurement accuracy can be further increased and temperature rivers are compensated.
Der erfindungsgemäße zylindrische Schallwandler ist gleichermaßen für alle direkten Verfahren und für das Resonanzverfahren einsetzbar und geeignet.The cylindrical sound transducer according to the invention is equally for all direct procedures and for that Resonance methods can be used and are suitable.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the Drawing shown and is in the following Description explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine schematische radiale und axiale Querschnittsansicht des erfindungsge mäßen Schallwandlers, und Fig. 1 is a schematic radial and axial cross-sectional view of the inventive sound transducer, and
Fig. 2 eine Darstellung des zylindrischen Schallwandlers mit elektronischer Be schaltung. Fig. 2 is an illustration of the cylindrical transducer with electronic loading circuit.
In Fig. 1 und 2 sind schematisch eine Vorrichtung zur Messung von akustischen Größen in Fluiden darge stellt. Die Vorrichtung weist einen zylindrischen Schallwandler 1 vorzugsweise aus einer Piezokeramik auf, wobei ein zu untersuchendes Fluid 2 im Inneren des zylindrischen Schallwandler 1 vorgesehen ist. Der Durchmesser des zylindrischen Schallwandlers 1 sowie seine Länge sind auf die durchzuführende Meßaufgabe abgestimmt und können beliebig gewählt werden. Der zylindrische Schallwandler kann von einem Gehäuse 3 ebenfalls zylindrisch umgeben sein, das auch als Re flektor dienen kann.In Fig. 1 and 2, a device for measuring acoustic quantities in fluids are shown schematically Darge. The device has a cylindrical sound transducer 1, preferably made of a piezoceramic, a fluid 2 to be examined being provided inside the cylindrical sound transducer 1 . The diameter of the cylindrical sound transducer 1 and its length are matched to the measurement task to be carried out and can be chosen as desired. The cylindrical sound transducer can also be cylindrically surrounded by a housing 3 , which can also serve as a reflector.
Der Schallwandler ist mit einer Sende- und Empfänger schaltung 4 verbunden, die elektrische Signale zur Erzeugung von Schallwellen an den Schallwandler lie fert und die durch Schallwellen hervorgerufenen elek trische Signale von dem Schallwandler 1 empfängt. Die Sende- und Empfängerschaltung 4 ist mit einer Auswer teschaltung 5 verbunden, die aus den empfangenen elektrischen Signalen abhängig von dem gewählten Meß verfahren und den Abmessungen des Schallwandlers und gegebenenfalls des Stoffsystems die akustische Größe wie Schallgeschwindigkeit, Schallabsorption und/oder akustische Impedanz des Fluids 2 bestimmt.The sound transducer is connected to a transmitter and receiver circuit 4 , the electrical signals for generating sound waves to the sound transducer lie manufactures and receives the elec trical signals caused by sound waves from the sound transducer 1 . The transmitter and receiver circuit 4 is connected to an evaluation circuit 5 which moves from the received electrical signals depending on the selected measurement and the dimensions of the sound transducer and, if applicable, the material system, the acoustic variable such as the speed of sound, sound absorption and / or acoustic impedance of the fluid 2 certainly.
Bei einem Laufzeitverfahren liefert die Sendeschal tung 4 einen elektrischen Impuls an den Schallwandler 1, der diesen in ein impulsförmiges Schallsignal um wandelt und eine Longitudinal- bzw. Kompressionswelle durch das Fluid 2 zum gedachten Mittelpunkt des Zy linders sendet, worauf die sich weiter ausbreitende Schallwelle von dem zylindrischen Schallwandler wie der empfangen wird. Die Empfängerschaltung 4 erhält das von dem Schallwandler 1 aufgrund der empfangenen Schallwellen erzeugte Empfangssignal und die Auswer teschaltung 5 bestimmt abhängig von der Laufzeit zwi schen Sendeimpuls und Empfangssignal und abhängig von den Abmessungen des Schallwandlers 1, zum Beispiel die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, die kenn zeichnend für die Eigenschaft des Fluids ist. Unter Heranziehung der Amplitude bzw. deren Änderung des Empfangssignals kann unter Verwendung bekannter Au werteverfahren die Schallabsorption und/oder die aku stische Impedanz berechnet werden.In a transit time method, the transmitting circuit 4 supplies an electrical pulse to the sound transducer 1 , which converts it into a pulse-shaped sound signal and sends a longitudinal or compression wave through the fluid 2 to the imaginary center of the cylinder, whereupon the further propagating sound wave of the cylindrical transducer as received. The receiver circuit 4 receives the received signal generated by the sound transducer 1 on the basis of the received sound waves and the evaluation circuit 5 determines depending on the transit time between the transmit pulse and the received signal and depending on the dimensions of the sound transducer 1 , for example the speed of sound in the fluid, which characterizes for the property of the fluid. Using the amplitude or the change in the received signal, the sound absorption and / or the acoustic impedance can be calculated using known evaluation methods.
Bei dem Resonanzverfahren liefert die Sendeschaltung 4 ein kontinuierliches Signal an den Schallwandler 1, durch das innerhalb des zylindrischen Schallwandlers 1 eine stehende Welle erzeugt wird. Aus der Amplitude des elektrischen Signals am Schallwandler kann unter Berücksichtigung der Signalfrequenz oder deren Ände rungen und gegebenenfalls des Phasenverhaltens und der vorhandenen Abmessungen wiederum die Schallge schwindigkeit und/oder Schallabsorption und/oder aku stische Impedanz bestimmt werden.In the resonance method, the transmission circuit 4 delivers a continuous signal to the sound transducer 1 , by means of which a standing wave is generated within the cylindrical sound transducer 1 . From the amplitude of the electrical signal on the sound transducer, taking into account the signal frequency or its changes and possibly the phase behavior and the existing dimensions, the speed and / or sound absorption and / or acoustic impedance can be determined.
Selbstverständlich können unterschiedliche bekannte Verfahren zur Auswertung der Empfangssignale ange wandt werden.Of course, different known ones Process for evaluating the received signals be turned.
Der zylindrische Schallwandler 1 kann von dem Fluid durchströmt werden, es ist jedoch auch möglich, daß der zylindrische Schallwandler durch einen Boden und/oder durch einen Deckel abgedeckt ist und ein konstantes Volumen aufnimmt und direkt die Meßzelle zur Aufnahme und Untersuchung des Fluids bildet. Auch können ein oder mehrere weitere Konstruktionselemente mit dem zylindrischen Schallwandler 1 in Verbindung stehen, um eine Meßzelle zu bilden.The cylindrical transducer 1 can be flowed through by the fluid, but it is also possible that the cylindrical transducer is covered by a bottom and / or by a lid and receives a constant volume and the measuring cell for taking and examining forms of the fluid directly. One or more further construction elements can also be connected to the cylindrical sound transducer 1 in order to form a measuring cell.
Der zylinderförmige Schallwandler kann direkt in Roh re eingebaut werden, um das durch die Rohre fließende Fluid zu untersuchen. Durch den Wandler wird eine Veränderung des Strömungsprofils oder ein Wirkdruck verlust vermieden.The cylindrical sound transducer can be raw re installed to the flowing through the pipes Fluid to examine. Through the converter one Change in the flow profile or a differential pressure avoided loss.
Der Zwischenraum zwischen Schallwandler 1 und Außen zylinder bzw. Gehäuse 3 ist mit einem Referenzmedium gefüllt. Unter Verwendung des Referenzmediums kann der Temperatureinfluß kompensiert werden und es kann die Genauigkeit erhöht werden. Hierbei werden die Schallsignale eines front- und rückseitig abstrahlen den zylindrischen Schallwandlers genutzt, welche frontseitig nach dem Passieren der Meßflüssigkeit und rückseitig nach dem Passieren des Referenzmediums simultan (aber zeitlich gering versetzt) wieder vom Schallwandler empfangen werden. Die gleichzeitige Auswertung des Referenzmediums gestattet eine bessere Anpassung der Auswerteelektronik an die zu erwarten den Sensorsignale. Mit Hilfe des Schallsignals im Referenzmedium ist es auch möglich, sicher den Aus fall von Ultraschallsensoren (defekte elektrische Verbindungen u. a.) von nicht vorhandener Flüssigkeit im Meßraum zu unterscheiden.The space between sound transducer 1 and outer cylinder or housing 3 is filled with a reference medium. Using the reference medium, the temperature influence can be compensated and the accuracy can be increased. Here, the sound signals from a front and rear side are emitted by the cylindrical sound transducer, which are received by the sound transducer again on the front side after passing through the measuring liquid and on the back side after passing through the reference medium (but with little time lag). The simultaneous evaluation of the reference medium allows a better adaptation of the evaluation electronics to the sensor signals to be expected. With the help of the sound signal in the reference medium, it is also possible to safely distinguish the case of ultrasonic sensors (defective electrical connections, etc.) from non-existent liquid in the measuring room.
In dem Zwischenraum zwischen Außenzylinder 3 und Schallwandler 1 kann auch ein Medium geführt werden, durch das der Schallwandler 1 und das Fluid 2 gekühlt oder gewärmt wird, in gleicher Weise kann jedoch auch ein Medium definierter Temperatur vorgesehen sein, das zur Thermostatisierung der Anordnung dient. Hier bei können unter Berücksichtigung des thermischen Einschwingens die Temperaturen von Schallwandler und Meßflüssigkeit nahezu ideal angeglichen werden.In the space between the outer cylinder 3 and the sound transducer 1 , a medium can also be guided through which the sound transducer 1 and the fluid 2 are cooled or warmed, but in the same way, a medium of defined temperature can also be provided, which is used for thermostatting the arrangement. Here, taking into account the thermal transient, the temperatures of the transducer and the measuring liquid can be adjusted almost ideally.
Zur Isolierung des Fluids 2 von dem Schallwandler 1 kann eine Isolierschicht als Koppelschicht auf der Innenwand des zylindrischen Schallwandlers 1 vorgese hen werden. Darüber hinaus können sowohl auf der In nenfläche als auch auf der Außenfläche des zylin drischen Wandlers 1 zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Schallwandlers 1 eine oder mehrere Dämpfungsschichten oder Koppelschichten angeordnet sein.To isolate the fluid 2 from the sound transducer 1 , an insulating layer can be provided as a coupling layer on the inner wall of the cylindrical sound transducer 1 . In addition, one or more damping layers or coupling layers can be arranged both on the inner surface and on the outer surface of the cylindrical transducer 1 to improve the acoustic properties of the sound transducer 1 .
Die Koppelschicht dient frontseitig erstens, wie aus geführt, zur Isolierung des Schallwandlers vom zu untersuchenden Fluid und zweitens zur akustischen Anpassung der recht unterschiedlichen Materialimpen danzen von Piezokeramik und Flüssigkeit, um einen möglichst effektiven Schallsignaleintrag in die Flüs sigkeit zu gewährleisten. Hinsichtlich der ersten Funktion soll diese Koppelschicht eine hohe chemische Resistenz und mechanische Festigkeit gegenüber den zu untersuchenden Materialien besitzen. Die zweite For derung wird am besten erfüllt, wenn die akustische Impendanz der Koppelschicht dem geometrischen Mittel der Koppelschichten der angrenzenden Flächen ent spricht. Auch mehrere Schichten sind denkbar. Streng betrachtet besteht im allgemeinen ein komplettierter Schallwandler frontseitig mindestens aus einer Kop pelschicht, der Haft- bzw. Verbindungsschicht und der Metallelektrode auf der Piezokeramik. The coupling layer serves first of all, as if from out, to isolate the transducer from investigating fluid and secondly acoustic Adaptation of the quite different material vaccines dances of piezoceramic and liquid around you most effective sound signal entry into the rivers to ensure liquidity. As for the first This coupling layer is intended to function as a high chemical Resistance and mechanical strength to the possess investigating materials. The second for change is best met if the acoustic Impedance of the coupling layer to the geometric mean ent of the coupling layers of the adjacent surfaces speaks. Several layers are also conceivable. Strict considered, there is generally a complete one Front transducer at least from one head pelschicht, the adhesive or tie layer and the Metal electrode on the piezoceramic.
Die Dämpfungsschicht wird rückseitig an die Piezoke ramik angebracht und soll im allgemeinen die rücksei tig abgestrahlten Schallsignale aufnehmen und mög lichst vollständig absorbieren. Prinzipiell kann die Dämpfungsschicht auch aus mehreren Einzelschichten bestehen oder nicht homogener Struktur sein. Gleich zeitig führen diese zusätzlichen Schichten ebenfalls zu einer höheren Grundbedämpfung des Gesamtschwin gungssystems und bilden darüber hinaus in Verbindung mit einer Gehäuseschicht den rückwärtigen Abschluß des Schallwandlers. Diese Dämpfungsschicht ist vor teilhaft im Falle einer einfachen einzylindrigen Meß zelle als auch für den Fall, daß der äußere Raum um den Schallwandler zur Thermostatisierung der Meßzelle genutzt wird, um störende Reflexionen zu vermeiden. Wird im Zusammenhang mit einem Referenzmedium die front- und rückseitige Abstrahlung des Schallsignals beabsichtigt und ausgenutzt, muß die Koppelschicht beidseitig an der Piezokeramik angebracht werden. In diesem Falle würde die rückwärtige Dämpfungsschicht entfallen.The damping layer is attached to the back of the piezoke ramic attached and should generally the back radiated sound signals and possible absorb completely. In principle, the Damping layer also from several individual layers exist or not be homogeneous structure. Soon these additional shifts also lead in good time to a higher basic damping of the overall vibration system and also form a connection with a housing layer the rear end of the transducer. This damping layer is in front partial in the case of a simple single-cylinder measurement cell as well in case the outer space around the transducer for thermostatting the measuring cell is used to avoid disturbing reflections. If in connection with a reference medium Front and back radiation of the sound signal intended and exploited, the coupling layer must can be attached to the piezoceramic on both sides. In in this case the rear cushion layer would omitted.
Der zylindrische Schallwandler 1 kann aus zwei Halb schalen oder aus mehreren Schalensegmenten bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, den zylindrischen Schallwandler auf bzw. um eine Rohrleitung anzuord nen, in der das zu untersuchende Fluid strömt. Hier bei muß allerdings die Rohrleitung selbst als Koppel medium berücksichtigt werden.The cylindrical sound transducer 1 can consist of two half shells or of several shell segments which are electrically connected to one another. With such an arrangement it is possible to arrange the cylindrical sound transducer on or around a pipeline in which the fluid to be examined flows. Here, however, the pipeline itself must be considered as a coupling medium.
Bei Vorsehen von mehreren Schalensegmenten können diese einzeln angesteuert werden. Auf diese Weise kann aus den jeweiligen Empfangssignalen der Schalen segmente des zylinderförmigen Schallwandlers 1 eine richtungsabhängige Auswertung des zu untersuchenden Fluids vorgenommen werden.If several shell segments are provided, these can be controlled individually. In this way, a direction-dependent evaluation of the fluid to be examined can be carried out from the respective received signals of the shell segments of the cylindrical sound transducer 1 .
Bei Segmentierung des zylindrischen Schallwandlers in vier Teile entstehen zum Beispiel zwei sich jeweils gegenüberstehende Sender-Empfängeranordnungen. Wenn dieser Zylinder Teil eines Rohres ist, in dem eine Mehrphasenströmung (Flüssigkeit mit Feststoffen oder Gasanteil) fließt und wenn eine der Wandleranordnun gen horizontal und die andere vertikal angeordnet sind, lassen sich so sedimentierte Feststoffe oder aufsteigende Gasbläschen getrennt vom reinen Flüssig keitsstrom erfassen.When segmenting the cylindrical sound transducer in for example, four parts arise two each opposing transmitter-receiver arrangements. If this cylinder is part of a tube in which a Multiphase flow (liquid with solids or Gas fraction) flows and if one of the gen horizontally and the other vertically are sedimented solids or rising gas bubbles separated from the pure liquid current flow.
Der Schallwandler kann während der Messung bzw. zwi schen den Messungen um seine Symmetrieachse gedreht werden, wodurch vermieden wird, daß sich auf den Oberflächen des Schallwandlers Beläge oder Luftblasen festsetzen.The sound transducer can be used during the measurement or between the measurements around its axis of symmetry be, thereby avoiding that the Surfaces of the transducer pads or air bubbles fix.
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|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1166506B (en) * | 1959-01-26 | 1964-03-26 | Svenska Flygmotor Aktiebolaget | Device for measuring pressures and differential pressures of media capable of flow |
| DE2936695A1 (en) * | 1979-09-11 | 1981-03-26 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Piezoelectric pressure transducer for diesel engine fuel pipes - has piezoceramic half shells with contact faces and hinge |
| DE3420794A1 (en) * | 1983-06-10 | 1984-12-13 | Helmut Dr. Heimel | Device for investigating liquid properties |
| DE3540251A1 (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-05 | Exxon Production Research Co., Houston, Tex. | DEVICE AND METHOD FOR ACOUSTIC DIRECTION MEASUREMENT |
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1996
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1166506B (en) * | 1959-01-26 | 1964-03-26 | Svenska Flygmotor Aktiebolaget | Device for measuring pressures and differential pressures of media capable of flow |
| DE2936695A1 (en) * | 1979-09-11 | 1981-03-26 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Piezoelectric pressure transducer for diesel engine fuel pipes - has piezoceramic half shells with contact faces and hinge |
| DE3420794A1 (en) * | 1983-06-10 | 1984-12-13 | Helmut Dr. Heimel | Device for investigating liquid properties |
| DE3540251A1 (en) * | 1984-12-03 | 1986-06-05 | Exxon Production Research Co., Houston, Tex. | DEVICE AND METHOD FOR ACOUSTIC DIRECTION MEASUREMENT |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| BERGMANN, L.: Der Ultraschall, S. Hirzel Verlag, 1954, S. 142, 342-344, 449-452 * |
| J. Acoust. Soc. Am., Bd. 30, Nr. 8, August 1959, S. 1067-1072 * |
| Technisches Messen, Heft 10, 1993, S. 376-382 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10326078A1 (en) * | 2003-06-10 | 2005-01-05 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for measuring the acoustic impedance of a fluid |
Also Published As
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