Durchflußanalytik mit Ultraschall

Georg F. Wagner

Bei der Planung einer Durchflußmeßstrecke besteht die Schwierigkeit darin, aus der Vielzahl der angebotenen Meßprinzipien das für die jeweiligen Anforderungen geeignete auszuwählen. Das Meßsystem besteht dabei aus drei Komponenten, die untereinander abzustimmen sind:

• dem homogenen oder heterogenen Medium,

• dem Meßwertaufnehmer und

• dem Prozeßleitsystem für die Steuerung oder Regelung.

Zur Problemlösung kann beispielsweise die VDI/VDE-Richtlinie 2644 herangezogen werden. Sie zeigt vielfältig und systematisch Möglichkeiten und Grenzen verschiedener Meßprinzipien.

Ein leistungsfähiges Meßprinzip mit großer Anwendungsbreite ist die Ultraschallmeßtechnik. Ultraschall bietet durch die Kombinationsmöglichkeit mit weiteren physikalischen Methoden (Doppler, Laufzeit, Absorption) eine hohe Informationsdichte, Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Ultraschallsensoren, die nach dem Doppler-Prinzip arbeiten, ermöglichen eine Messung der Geschwindigkeit von in der Strömung mitgeführten Gasbläschen oder Feststoffpartikeln.

In der Praxis lassen sie sich für die Durchflußmessung von Mehrkomponentenflüssigkeiten, zum Beispiel mit Compound befüllte Harze oder wäßrige Suspensionen, einsetzen.

Die Strömungsgeschwindigkeit wird beim Doppler-Verfahren durch die Frequenzverschiebung, die die Bewegung eines Reflektors zwischen einem Schallsender und einem Schallempfänger erzeugt, bestimmt (Abb. 1). Die Viskosität der Flüssigkeiten spielt dabei keine Rolle, wohl aber die Größe der Reflektoren – Partikel oder Gasblasen -, die ab 1 mm bis zu einigen 100 mm spezifiziert werden können. Die Frequenzverschiebung ist ein direktes Maß für die Geschwindigkeit in einem Bereich von 1 bis >10 cm/s. Zudem ermöglicht das Doppler-Verfahren die Inline- und Echtzeitbestimmung der Größe und Zahl einzelner Reflektoren. Das übliche Mono-Doppler-Verfahren leidet häufig unter Interferenzerscheinungen. Abhilfe schafft hier ein Stereo-Doppler-Verfahren mit größerer Genauigkeit. Bei diesem Verfahren wird die Druckwelle eines Ultraschallsenders von zwei Empfängern aufgenommen. Das verbessert die Informationsausbeute im nachfolgenden Umformer.

Daß die Doppler-Meßtechnologie im industriellen Einsatz bisher eher vernachlässigt wurde, hatte seine Ursache auch darin, daß erst seit geraumer Zeit leistungsfähige Mikrokontroller, digitale Signalprozessoren und entsprechende Software zur Verfügung stehen.

Das Ultraschallmeßgerät Micro-check 500 arbeitet nach dem Doppler-Prinzip und ermöglicht neben der Durchflußmessung auch die Bestimmung der Konzentration und optional der Größe von mitgeführten Gasbläschen oder Feststoffpartikeln. Der Meßbereich umfaßt Feststoffanteile von 0,001 bis über 75%. Damit ist auch die Frachtbestimmung bei hochviskosen Pasten und Schlämmen möglich. Das Meßrohr ist ein kurzes, gerades Rohr aus Edelstahl, Duranglas oder Reinstglaskohlenstoff. Reinstglaskohlenstoff findet immer dann Verwendung, wenn hochaggressive Medien vorliegen oder Metallionenfreiheit erforderlich ist. Der Prozeßanschluß erfolgt mittels Flansch oder O-Ring-Verschraubung. Im Verlauf der Messung treten keine Abnutzungen oder meßtechnischen Veränderungen am Sensor auf. Die Meßwerterfassung und Ausgabe der Daten erfolgt in Echtzeit.

Ebenfalls auf dem Doppler-Prinzip beruht auch die Messung von Einzelpartikeln im Mikrometerbereich mit dem Micro-check 100 HS (Abb. 2). Dieses Gerät ist durch die Auswertung des aufgenommenen Spektrums in der Lage, störende Gasbläschen in Flüssigkeiten nach Zahl und Größe zu bestimmen. Das Meßvolumen ist knapp 0,1 ml groß. Der Schwerpunkt liegt im Gegensatz zum Micro-check 500 bei der Einzeldetektion von störenden Reflektoren, die in vielen Verfahren in hoher Anzahl vorkommen. Zusätzlich bildet ein einzelnes Gasbläschen als Reflektor auch die Strömungsgeschwindigkeit ab. Ziel ist es, mit diesem Meßgerät eine permanente aussagefähige Statistik über die Zahl der mitgeführten Reflektoren zu erstellen. Die Anzahl der Reflektoren wird dazu in fünf verschiedenen Größen sortiert ausgegeben. Ein Handheld-Programmer dient dem Einstellen und Ablesen von Daten und Meßwerten. Mit einer Partikelscanfunktion lassen sich in einem frei einstellbaren Größen- und Zeitfenster interessante Störgrößen bestimmen. Die Meßwerterfassung und Ausgabe der Daten erfolgt ebenfalls in Echtzeit. Das ermöglicht eine schnelle Abhilfe durch Steuerungs- und Regelungsmaßnahmen.

Die Ultraschallmeßtechnik zur Strömungs-, Gasbläschen- und Partikelmessung findet beispielsweise in der Beschichtungstechnik Verwendung. Störungen der Schicht durch Gasbläschen oder Feststoffpartikel verursachen stets teuren Ausschuß. Abbildung 3 zeigt den Einsatz des Meßgerätes in einer Beschichtungsanlage. Mit einstellbaren Schwellen werden Gasbläschen von 5 bis 200 µm bestimmt. Durch eine variable Verstärkungseinstellung läßt sich der Meßbereich verändern. Die Volumenstromerfassung der Mehrkomponentenflüssigkeiten bei gleichzeitiger Kontrolle der Konzentration von Fremdkörpern ermöglicht die kontinuierliche Herstellung qualitativ hochwertiger Oberflächen.

Der Ultraschallsensor läßt sich auch für die Bestimmung von Konzentration und Partikelgröße von Zusatzstoffen wie Glas, Ruß oder Farbpigmenten in Pasten einsetzen. So können bei der Grundsubstanzherstellung Zerkleinerungsprozesse, beispielsweise in einer Pigmentkugelmühle, kontrolliert werden.

Eine weitere Anwendung ist der Einsatz des Ultraschallmeßgerätes zur Reinigungskontrolle einer Anlage. Nach einem Produktionsprozeß, zum Beispiel der Herstellung einer Farbpaste, wird die Anlage regelmäßig gespült. Die Reinigungsqualität läßt sich anhand der Partikelbeladung der durchfließenden Spülflüssigkeit feststellen. Das hochempfindliche Meßprinzip erfaßt die Partikelkonzentration bis zum Einzelpartikel und leitet die Daten an ein Prozeßleitsystem weiter. Damit erreicht man einen zuverlässigen Schaltpunkt für die Freigabe der Anlage für den nächsten Produktionszyklus.

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