Hintergrundwissen zur Ultraschallreflexion

 

Laut Definition ist Trübung ein optischer Effekt. 
Trübung ist ein optischer Eindruck, der die Eigenschaft durchsichtiger Medien das Licht zu zerstreuen beschreibt. In trüben Medien wird ein gebündelter Lichtstrahl durch Absorption und Streuung geschwächt, so dass solche Medien in dickeren Schichten praktisch undurchsichtig werden können. Trübung wird verursacht durch die Partikel, die sich in einem durchsichtigen Medium befinden. Als Partikel wird in diesem Fall jedes Teilchen mit einem anderen Brechungsindex als dem des Trägermediums bezeichnet.

 

Ultraschallreflexion
Die Ultraschallpartikelmessung erfasst ähnlich wie eine Trübungsmessung nicht gelöste Teilchen in einer Flüssigkeit. Da die Trübung jedoch ein optischer Effekt ist, wird beim akustischen Messverfahren eigendlich von Partikel- oder Konzentrationsmessung gesprochen. Als Partikel wird in diesem Fall jedes Teilchen mit einer anderen Schallgeschwindigkeit als das Trägermedium bezeichnet. So fallen unter diesen Begriff nicht nur Feststoffe wie Mineralien, Hefezellen  oder Metalle, sondern auch Stoffe wie z.B. ungelöstes Öl in Wasser.

 

Messverstärker Modell AT3

Sensor Modell AS3

ÜBERSICHT

Durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugte Ultraschallimpulse werden in das zu messende Produkt gesendet.
Partikel / Öl in der Flüssigkeit reflektieren die Ultraschallimpulse und senden sie als Echo zur Sonde zurück, jeder Partikel der von den gesendeten Impulsen getroffen wird erzeugt Echos, die reflektierten Ultraschallimpulse werden von dem piezoelektrischen Wandler der Sonde erkannt und in elektronische Signale gewandelt.. Die Anzahl und Intensität der Echoimpulse gibt Aufschluss über die Partikelkonzentration im zu messenden Produkt.

Diese gezählten Impulse bilden die Basiseinheit mit der das System arbeitet, nämlich ZÄHLER oder im Englischen COUNTS. Der eingebaute Mikroprozessor kann nun aus dieser Messgröße COUNTS jede vom Anwender gewünschte Einheit wie z. B. mg/l, ppm, % ... errechnen.

ABHÄNGIGKEITEN

Anzahl und Intensität der Echos hängen entscheidend von den folgenden Parametern ab:

• Härtegrad der Partikel (Harte Partikel reflektieren den Schall besser als weiche Partikel.)
• Zähflüssigkeit (Viskosität) des zu messenden Produktes (in Viskosen Flüssigkeiten wird der Schall gedämpft)
• Größe der Partikel (Großer Partikel hohe Echointensität, kleiner Partikel niedrige Echonintensität)
• Anzahl der Partikel (Viele Partikel – viele Echos, wenig Partikel – vereinzelte Echos)

(Beachten Sie: Sollte der Schallimpuls (bei hohen Konzentrationen) zum gleichen Zeitpunkt auf mehrere Partikel treffen, entsteht ein einzelnes Echo mit höherer Intensität.)

INSTALLATION

Aufgrund der Sondentechnik ist der Sensor in den unterschiedlichen Anwendungen einfach zu installieren.

DESIGN KRITERIEN

Der AS3/AT3 ist als online Messsystem zum Nachweis von Teilchen und Öl in Flüssigkeiten konzipiert. Die herkömmlichen optischen Methoden der Partikeldetektion
(z.B.  Lichtstreuung, Licht-Absorption) sind in vielen Fällen nicht zufriedenstellend und entsprechen nicht den technischen und funktionalen Kriterien des Modell AS3/AT3. Die Verwendung von fokussiertem Ultraschall als Messprinzip ermöglicht folgende Funktionsmerkmale:

(a) Das System erkennt Teilchen und Öltropfen unter 1 Mikron.

(b) Das System hat einen sehr geringen Wartungsaufwand

(c) Das System ist selbstreinigend durch die Ultraschall Impulse.

(d) Das System hat keine Verschleißteile

(e) Das System verfügt über extreme erweiterten Kalibrierintervalle

(f) Das System misst in undurchsichtigen und / oder lichtempfindlichen Flüssigkeiten

 

Abbildung 1,  

Abbildung 1 zeigt den Schnitt durch ein Rohr mit eingebauter AS3 Sonde, das Ultraschallfeld wird durch die sphärische Linse der Sonde erzeugt.

Messprinzip

Der Messverstärker Modell AT3 sendet elektrische Impulse an einen piezoelektrischen Wandler innerhalb der AS3 Sonde. Der Piezo wandelt die elektrischen Impulse in Ultraschallimpulse und überträgt sie in die Flüssigkeit. Das Fokussieren der Impulse, wie durch die gestrichelten (Abbildung 1) Linien dargestellt, bewirkt eine hohe Schalldichte im Fokus des Ultraschallfelds. Die Partikel innerhalb der Flüssigkeit reflektieren die Schallenergie ebenso wie die Rohrwand. Der Wandler Kristall in der Sondenspitze fungiert jetzt als Empfänger und wandelt die reflektierte Schallenergie zurück in elektrische Impulse. Die Ultraschallimpulse wandern mit hoher Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit im Rohr (1500m/sec für Wasser). Die Reflexionen (Echos) durch die Partikel im Fokusbereich erreichen den Piezowandler zeitlich früher als die Reflexionen von der Rohrwand. Auf diese weis kann zwischen Wandimpulsen und Partikelimpulsen unterschieden werden.

 

Abbildung 2,

 Abbildung 2, zeigt ein typisches Impulsdiagramm des Oszilloskop Bildschirms von Modell AT3. Das Messfenster kann in Position (Zeit), Breite und Intensität programmiert werden. Nur Partikel Echos im Fenster Region oberhalb der programmierten Intensität (Schwelle) werden ausgewertet und zu einem Messergebnis berechnet. Das System sendet 128 Impulspakete pro Sekunde AT3 in die Flüssigkeit, und empfängt die von den Impulspaketen erzeugten Echos. Die Impulsechos werden in Echtzeit in das Umgerechnet. 

Hintergrundwissen zur Ultraschallreflexion

Akustische Linsen:

Akustische Linsen werden seit 1852 verwendet. Die Theorie über Akustische Linsen zeigt parallelen zur optischen Theorie wie z.B. das Snell- Gesetz.

C₁sinθ₁ = C₂sinθ₂

wobei C₁ die Schallgeschwindigkeit innerhalb einer festen Linse, und C₂ die Schallgeschwindigkeit in einem flüssigen Medium ist. θ₁ und θ₂ sind die Brechungswinkel der Partikel bzw. der zu messenden Die Schallgeschwindigkeiten für verschiedene Flüssigkeiten gemessen mit Modell AS3/AT3 sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Die Ansprechempfindlichkeit des Systems ist umso besser, je größer die Differenz in der Schallgeschwindigkeit zwischen Partikel und Trägerflüssigkeit ist.

Medium	Schallgeschwindigkeit (m/s)	Temperatur (°C)	Konzentration	Dichte (kg/m3)
Methanol	1120	20	--	--
Essigsäure	1112	20	--	--
Propanol	1122	20	--	--
Aceton	1189	20	--	--
Natriumhydroxid	1584	20	85%	--
Natriumhydroxid	1700	20	100%	--
Ammonium Fluoride / H.F.	1717	20	15 : 1	--
Ammoniumfluorid	1761	20	40%	--
Ammoniumfluorid	1523	30	10%	--
Salzsäure	1527	30	25%	--
Salpetersäure	1480	20	--	--
Schwefelsäure	1332	20	98%	--
Flusssäure	448	20	100%	--
Flusssäure	1347	20	49%	--
Wasser	1480	20	fresh	998
Feststoffe
Aluminium	6300	--	--	2700
Stahl	6100	--	--	7700
Glass	5600	--	--	2300
Quartz	5720	--	--	2650

 

Tabelle mit Schallgeschwindigkeiten unterschiedlicher Materialien.

Akustische Absorption

Die akustische Absorption einer Flüssigkeit beeinflusst die Größe der Partikel, die das System erkennen kann. Je höher die akustische, je weniger empfindlich wird das System beim Erkennen von kleinen Partikeln.

AKUSTISCHE ABSORPTION
Flüssigkeit	nepers/meter*
Glycerin / Öl	3000
Quecksilber	5
Aceton	30
Wasser	24
Benzin	900
Toluol	205
m-Xylol	78

 

 

 

 

 

 

Die Tabelle listet die akustische Absorption für verschiedene Flüssigkeiten.

*Neper (Einheitenzeichen Np) ist eine logarithmische Einheit für Verhältnissmessungen physikalischer Felder und Strommengen, wie z.B. Verstärkung und Dämpfung von elektronischen Signalen. Der Name der Einheit wird von dem Namen John Napier, dem Entdecker der Logarithmen abgeleitet.
Wie Dezibel und **Bel, ist Neper keine Einheit der Internationalen SI- Einheiten wird aber im Einsatz zusammen mit den SI- Einheiten akzeptiert.

 

** Das Bel (B) ist eine nach Alexander Graham Bell benannte Hilfsmaßeinheit zur Kennzeichnung von Pegeln und Maßen (Logarithmische Größe).