СПОСОБ, УСТРОЙСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИЛИ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ КОМПОНЕНТОВ ГЕТЕРОГЕННОЙ СМЕСИ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2020 года по МПК G01N15/02 

Область техники

Изобретение относится к способу, а также устройству для количественного определения числа и размера компонентов в виде частиц, содержащихся в среде, текущей вдоль проточного канала, при котором в текущую среду вводятся ультразвуковые волны, которые по меньшей мере частично отражаются на компонентах в виде частиц, и отраженные составляющие ультразвуковых волн детектируются в форме ультразвуковых временных сигналов, которые являются основой для количественного определения.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Среди прочего, в металлообрабатывающей и химической отраслях промышленности, часто существует задача количественно определять особенно гетерогенные смеси веществ, такие как суспензии. Примерами являются расплавы металлов, которые наряду с металлом или смесями металлов содержат примеси или желательные или нежелательные дополнительные компоненты, например частицы в расплавах металлов, состоящие из оксидов, хлоридов, карбидов, боридов, нитридов и/или интерметаллических фаз. В химической промышленности, гетерогенные смеси веществ возникают, например, при изготовлении полимеров в процессе полимеризации. В обоих примерах желательно получать точную количественную информацию о компонентах смеси веществ, то есть, определять количество частиц, концентрацию частиц и/или размеры частиц, чтобы осуществлять управление, регулирование или контроль производственных процессов.

В области ультразвукового обнаружения частиц, например, в расплавах алюминия, известен так называемый способ получения изображения металла, раскрытый в публикации Kurban M., Sommerville I.D., Mountford N.D.G., Montford P.H., An ultrasonic sensor for the Continuous Online Monitoring of the Cleanliness of Liquid Aluminium, Light Metals 2005, TMS, 945-949, который используется в области непрерывной разливки алюминия. В этом способе, ультразвук вводится через параллельно расположенный стальной волновод в жидкий расплав алюминия. В качестве недостатка следует отметить недостаточную воспроизводимость результатов измерений.

Из публикаций ЕР 1 194 772 В1 или DE 600 01 951 T2 известны способ и устройство для индивидуальной визуализации, измерения размера и подсчета взвешенных включений в расплаве металла, находящемся в резервуаре, при помощью ультразвука. С помощью по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя генерируются ультразвуковые волны в форме так называемых одиночных ультразвуковых импульсов и с помощью волновода вводятся в исследуемый расплав металла, в котором они частично отражаются на включениях, содержащихся в расплавленном металле. Отраженные ультразвуковые волны детектируются с помощью детектора ультразвуковых волн и оцениваются с целью их подсчета и измерения, а также визуализации с помощью анализа изображения. Анализ изображения и количественное измерение эхо-сигналов, полученных из детектированных ультразвуковых волн, используются для калибровочной кривой, которая была получена на этапе калибровки, на котором используется по меньшей мере один калибровочный отражатель известного стабильного размера. Калибровочный отражатель для этого позиционируется в расплаве металла в области так называемого фокального пятна, в котором ультразвуковые волны взаимодействуют с расплавом металла и от которого исходят отраженные составляющие ультразвуковых волн, которые могут детектироваться по меньшей мере одним ультразвуковым детектором. Калибровочная кривая представляет собой функциональную зависимость между амплитудами детектированных эхо-сигналов и диаметрами препятствий, от которых были отражены эхо-сигналы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СущностИ изобретения

В основе изобретения лежит задача предложить способ и устройство, а также его применение, с целью определения числа частиц, концентрации частиц и/или размеров частиц в смесях веществ, жидкостях, суспензиях, особенно расплавов с высокой точностью и воспроизводимостью. Кроме того, должно обеспечиваться снижение технических затрат при осуществлении этого способа и устройства.

Поставленная техническая задача решается с помощью способа по пункту 1 формулы изобретения, устройства по пункту 10 формулы изобретения и применения устройства по пункту 15 формулы изобретения. Другие предпочтительные формы выполнения следуют из дополнительных признаков зависимых пунктов формулы изобретения.

Соответствующий заявленному решению способ в соответствии с признаками родового понятия пункта 1 формулы изобретения позволяет осуществлять непосредственный ввод ультразвуковых волн в текущую среду, так что по меньшей мере часть введенных ультразвуковых волн подвергается отражению от области стенки проточного канала, ограничивающей текущую среду, или от отражателя, размещенного внутри проточного канала, за счет которого формируются ультразвуковой временной эхо-сигнал, соотносимый с областью стенки или с отражателем. Ввод ультразвуковых волн предпочтительно осуществляется в расплав металла, в котором он применяется для количественного определения компонентов в виде частиц. Также возможно исследовать любые гетерогенные жидкие смеси, такие как суспензии, посредством ввода ультразвуковых волн для целей количественного определения компонентов в виде частиц.

Ввод ультразвуковых волн в текущую среду, предпочтительно осуществляют в поперечно ориентированном к направлению потока текущей среды основном направлении распространения, причем распространяющиеся вдоль основного направления распространения ультразвуковые волны предпочтительно ортогонально падают на ограничивающую проточный канал область стенки и отражаются от нее. Детектирование составляющих ультразвуковых волн, отраженных вдоль всего расстояния прохождения ультразвука в пределах текущей среды, включая ультразвуковые волны, отраженные от ограничивающей области стенки назад в основном направлении распространения, предпочтительно осуществляют в зоне или точно в месте ввода ультразвуковых волн. Таким образом, получают ультразвуковые временные сигналы вдоль всего пути между местом ввода и задней ограничивающей стенкой. Вызванное на ограничивающей стенке отражение ультразвуковых волн характеризуется как характеристический ультразвуковой временной эхо-сигнал, который применяется для определения по меньшей мере одной функции порогового значения амплитуды, которая для каждого детектированного ультразвукового временного сигнала устанавливает пороговое значение амплитуды.

При использовании, например, двух или более волноводов, из которых по меньшей мере второй волновод служит в качестве приемника, место обнаружения может отличаться от места ввода.

Использование дополнительно расположенного в проточном канале отражателя, который имеет гладкую, предпочтительно плоскую поверхность отражателя, осуществляется в тех случаях, когда расстояние между вводом ультразвуковых волн и ограничивающей проточный канал областью стенки является слишком большим, и/или область стенки, например, из-за отложений непригодна для того, чтобы отражать ультразвуковые волны по возможности без потерь.

Предпочтительно, для определения по меньшей мере одной функции порогового значения амплитуды учитывается по меньшей мере одно из следующих физических свойств:

а) распределение ультразвукового поля в текущей среде, то есть пространственная протяженность и интенсивность ультразвуковых волн, распространяющихся в пределах текущей среды в зависимости от направления, например, в форме основных и боковых лепестков,

b) акустическое затухание ультразвуковых волн в текущей среде, то есть специфическое для среды и обусловленное средой снижение амплитуд ультразвуковых волн с продолжением распространения в пределах текущей среды,

с) условия ввода ультразвуковых волн в текущую среду, то есть качество, с которым начальная энергия ультразвуковой волны, с которой генерируются ультразвуковые волны, например, с помощью пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя, трансформируется в распространяющиеся в текущей среде ультразвуковые волны. Так изменяющиеся условия ввода проявляются непосредственно в изменяющемся ультразвуковом временном эхо-сигнале, непосредственное влияние которого на функцию порогового значения амплитуды имеет влияние на пороговые значения амплитуды всех ультразвуковых временных сигналов. В этом случае, функции порогового значения амплитуды всех следующих по времени ультразвуковых временных сигналов корректируются. Однако прошлые по времени пороговые значения амплитуды не должны корректироваться.

Для целей количественного определения и оценки компонентов в виде частиц, содержащихся в текущей среде, на следующем этапе определяются все значения амплитуды, соотнесенные с отдельными обнаруженными ультразвуковыми временными сигналами, которые, соответственно, больше, чем пороговое значение амплитуды, установленное для соответствующих ультразвуковых временных сигналов.

Предпочтительным образом, не все ультразвуковые временные сигналы, которые возникают из событий отражения в текущей среде между местом ввода и от задней области стенки, используются для дальнейшей оценки. Скорее, устанавливается временной диапазон оценки, который соответствует пространственному диапазону измерения в пределах текущей среды вдоль основного направления распространения и который лежит произвольно между местом ввода и ограничивающей проточный канал сзади областью стенки. В зависимости от требований исследования, могут соответственно устанавливаться временной диапазон оценки и связанный с ним оцениваемый объем измерения.

Функция порогового значения амплитуды, требуемая для оценки ультразвуковых временных сигналов в течение заданного временного диапазона оценки, является в простейшем случае горизонтальной прямой линией, которая подходящим образом накладываются для численного сравнения с обнаруженными ультразвуковыми временными сигналами.

В зависимости от требований к дальнейшей оценке ультразвуковых временных сигналов, в функции порогового значения амплитуды могут соответственно учитываться вышеупомянутые аспекты, например, распределение ультразвукового поля, затухание, условия ввода и т.д.

Кроме того, характеристика функции порогового значения амплитуды может следовать логарифмической или экспоненциальной кривой. Акустическое затухание текущей среды, например, следует экспоненциальной функции с отрицательным показателем. Путем умножения функции порогового значения амплитуды на экспоненциальную функцию с положительным показателем, может быть скорректировано, таким образом, влияние затухания.

В качестве альтернативы или в сочетании с вышеуказанной коррекцией затухания, может выбираться характеристика функции порогового значения амплитуды линейная с положительным или отрицательным наклоном. Например, звуковое давление уменьшается, начиная от плоского кругового вибратора с увеличением расстояния z к месту ввода ультразвуковых волн в среду, то есть, в так называемой дальней зоне, примерно как 1/z. Путем умножения функции порогового значения амплитуды на функцию с положительным наклоном это влияние, таким образом, может быть скорректировано.

Также можно осуществлять ввод ультразвуковых волн в текущую среду сфокусированным образом, то есть, ультразвуковые волны фокусируются в фокальную точку, находящуюся вдоль основного направления распространения, которая всегда расположена в основном направлении распространения перед областью стенки, ограничивающей проточный канал.

Положение фокальной точки относительно временного диапазона оценки или установленного объема измерения может в принципе быть выбрано произвольно либо внутри, либо вне временного диапазона оценки.

Однако если ультразвуковой фокус лежит в пределах временного диапазона оценки, то является предпочтительным, определить в фокальной точке самое низкое пороговое значение амплитуды, которое увеличивается по обе стороны с увеличением расстояния от фокальной точки. Если, напротив, ультразвуковой фокус лежит вне временного диапазона оценки, то является предпочтительным, что функция порогового значения амплитуды имеет положительный или отрицательный наклон.

В принципе, характеристика функции порогового значения амплитуды, с учетом нескольких факторов влияния, может принимать очень сложную форму функции. Кроме того, имеет смысл применять несколько различных функций порогового значения амплитуды, чтобы иметь возможность соответственно определять, например, распределения по размерам частиц. Практически применяемое число различных функций порогового значения амплитуды, как правило, лежит в диапазоне от 1 до 10.

После определения всех значений амплитуды, лежащих в пределах временного диапазона оценки соответственно по величине выше функции порогового значения амплитуды, затем с этими значениями амплитуд соотносят значения, которые описывают размер и/или число обнаруженных компонентов в виде частиц в текущей среде.

Таким образом, можно определить число обнаруженных компонентов в виде частиц на основе числа или статистической частотности, с которой обнаруженные значения амплитуды, приходящиеся на каждый ультразвуковой временной сигнал, лежат выше порогового значения амплитуды, установленного посредством функции порогового значения амплитуды для ультразвукового временного сигнала.

В отличие от этого, информация о размере компонентов в виде частиц основана на численной величине значения амплитуды ультразвукового временного сигнала, то есть высота пика или величина амплитуды ультразвукового временного сигнала описывает соответствующий размер частиц. При этом следует обратить внимание на то, что высоты пиков ультразвуковых временных сигналов также зависят от условий ввода ультразвука, обстоятельство, которое должно учитываться путем динамической адаптации функции порогового значения амплитуды.

На основании полученных таким образом знаний, могут быть определены количество частиц и относительное распределение по размерам частиц для обнаруженных в текущей среде компонентов в виде частиц.

Для того чтобы указать размеры частиц в абсолютных значениях, можно обратиться к справочным таблицам, так называемым таблицам поиска. Кроме того, можно определить калибровочные значения или калибровочные функции в отдельных сериях экспериментов путем регистрации ультразвуковых временных сигналов, в частности, их амплитуд и/или форм сигналов, которые получаются в результате отражения ультразвуковых волн от известного ультразвукового отражателя. Полученные таким образом калибровочные значения или калибровочные функции могут быть затем использованы в качестве основы для определения по меньшей мере одной функции порогового значения амплитуды.

Кроме того, устройство для количественного определения числа и размера компонентов в виде частиц, содержащихся в среде, текущей вдоль проточного канала, в соответствии с признаками родового понятия пункта 1 формулы изобретения отличается тем, что с целью ввода ультразвуковых волн в текущую среду, по меньшей мере один акустически связанный с ультразвуковым преобразователем волновод по меньшей мере на участках погружен в текущую среду, причем волновод, состоящий из материала волновода, по меньшей мере в области, в которой волновод погружен в текущую среду, окружен наружным слоем, так что наружный слой расположен между остальным материалом волновода и текущей средой, и наружный слой имеет состав материала, отличающийся от остального материала волновода.

Волновод предпочтительно имеет c одной стороны тупой, заостренный подводящий или сформированный в определенной геометрической форме конец волновода, подходящий для ввода сфокусированных ультразвуковых волн в текущую среду. При этом конец волновода по меньшей мере на участках окружен наружным слоем, состав материала которого выбран в зависимости от текущей среды таким образом, что состав материала при контакте с текущей средой растворяется.

Состав материала наружного слоя содержит по меньшей мере одно вещество, вызывающее и/или поддерживающее смачивание текучей средой материала волновода, которое не идентично текущей среде. Предпочтительно, по меньшей мере одно вещество представляет собой расплавленную соль.

Чтобы надежно нанести расплавленную соль на участке конца волновода по меньшей мере для использования в расплаве металла, она окружается материалом, плавящимся или растворяющимся в измерительной среде, например, посредством алюминиевой фольги. Нанесенная на конец волновода расплавленная соль вытесняет возможные оксиды на поверхности волновода и, таким образом, обеспечивает возможность непосредственного контакта волновода с текучей средой, предпочтительно в форме расплава алюминия.

Более подробная информация содержится в нижеследующем описании со ссылкой на следующие примеры выполнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертежах представлено следующее:

Фиг. 1 - устройство для измерения компонентов в виде частиц в текущей среде при помощи волновода для ввода ультразвуковых волн в среду,

Фиг. 2 - устройство согласно фиг. 1 с двумя волноводами для ввода ультразвуковых волн в среду,

Фиг. 3 - устройство согласно фиг. 2 с двумя волноводами для ввода сфокусированных ультразвуковых волн в среду,

Фиг. 4 - диаграмма, представляющая ультразвуковые временные сигналы с наложенной функцией порогового значения амплитуды и временной диапазон оценки и

Фиг. 5 - устройство согласно фиг. 1 с волноводом, имеющим наконечник смачивания на конце волновода.

ПУТИ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ изобретениЯ, промышленная применимость

Со ссылкой на чертежи, описанные ниже, описывается устройство, которое позволяет измерять с высокой точностью концентрацию или число, а также размер компонентов в виде частиц в текущей среде 3, например, в форме смесей материалов, расплавов, расплавов металлов, таких как расплавы алюминия, или жидкостей.

Как показано на фиг. 1, ультразвук генерируется ультразвуковым преобразователем 1, служащим в качестве передатчика, и вводится через волновод 2, средство для ввода ультразвука в исследуемую жидкость. Предполагается, что текущая среда 3 протекает через резервуар 4, перпендикулярно к плоскости чертежа. Как показано на фиг. 1, тот же ультразвуковой преобразователь 1 может также служить в качестве приемника ультразвукового поля 3 из текущей среды.

На фиг. 2 и фиг. 3 дополнительно используется ультразвуковой преобразователь 7 с соответствующим дополнительным акустически связанным волноводом 8, причем дополнительный волновод 8 акустически связывает дополнительный ультразвуковой преобразователь 7 с текущей средой 3. В случае более чем одного ультразвукового преобразователя, могут использоваться разнообразные режимы работы, например, ультразвуковой преобразователь 1 может служить в качестве передатчика, а ультразвуковой преобразователь 7 в качестве приемника, или оба ультразвуковых преобразователя 1, 7 служат в качестве приемника и с временным смещением в качестве приемника. Сигналы, принимаемые по меньшей мере от одного ультразвукового преобразователя 1, 7, записываются и оцениваются с помощью измерительного устройства/метода оценки/устройства 6 оценки. Устройство 6 оценки определяет отражения или эхо-сигналы ультразвукового поля из текущей среды 3, а также отражение от опционально помещенного в текущую среду 3 ультразвукового отражателя 5. Предпочтительным образом, ограничивающая в направлении распространения ультразвуковых волн область 4а стенки резервуара 4, который по меньшей мере частично окружает смесь материалов, служит в качестве ультразвукового отражателя 5. Эхо-сигнал ультразвукового отражателя 5, 4а служит для калибровки оценки эхо-сигналов из текущей среды 3. Для оценки эхо-сигналов из текущей среды 3 применяется по меньшей мере одна функция порогового значения амплитуды, которая устанавливается на основании эхо-сигналов ультразвукового отражателя 5, 4а.

Предпочтительное устройство состоит, в частности, по меньшей мере из одного ультразвукового преобразователя 1, волновода 2, акустически связанного с ультразвуковым преобразователем 1, резервуара 4 для приема или для сквозного потока текущей среды 3, в частности, суспензии, ультразвукового отражателя 5 или 4а, размещенного в среде, причем волновод 2 таким образом выступает в среду 3 и так размещен по отношению к ультразвуковому отражателю 5, 4а, что образующееся в среде 3 ультразвуковое поле имеет по меньшей мере один фокус 13, который пространственно расположен между ультразвуковым отражателем 5, 4а и первым волноводом 2 и/или дополнительным волноводом 8.

Другое предпочтительное устройство состоит, в том числе, по меньшей мере из одного устройства 6 оценки, связанного по меньшей мере с одним ультразвуковым преобразователем 1, волновода 2, акустически связанного с ультразвуковым преобразователем 1, резервуара 4, через который протекает текущая среда 3, в частности, в форме суспензии, причем волновод 2 выступает в среду 3 и выполнен так, чтобы вводить генерируемое ультразвуковым преобразователем 1 ультразвуковое поле в среду 3 и вводить отражения ультразвукового поля от границ раздела в текущей среде 3, в частности, от частиц в среде 3 в ультразвуковой преобразователь в качестве ультразвуковых временных сигналов, причем устройство оценки выполнено так, чтобы с использованием функции порогового значения регистрировать и подсчитывать максимумы энергии и/или максимумы мощности в принятом временном сигнале.

Другое предпочтительное устройство состоит по меньшей мере из акустически связанного с по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем 1 волновода 2, который выступает в исследуемую текущую среду, в частности, суспензию, причем волновод 2 по меньшей мере частично имеет наружный слой 10 с составом материала, отличающимся от остального материала волновода, и наружный слой 10 расположен между остальным материалом волновода и текущей средой 3, см. фиг. 5.

В качестве измерительного объема обозначается пространство, которое определяется посредством конца по меньшей мере одного волновода 2 и посредством ультразвукового отражателя 5, 4а.

Фокус 13 ультразвукового поля предпочтительно находится в измерительном объеме.

Эхо-сигнал, обусловленный ультразвуковым отражателем 5, 4а, также называется эхо-сигналом от задней стенки, причем эти термины являются взаимозаменяемыми.

Встроенный в структуру ультразвуковой отражатель 5 генерирует в ультразвуковом сигнале эхо-сигнал от задней стенки согласно фиг. 4. Он служит в качестве калибровки ультразвукового сигнала, так как в нем представляется введенная ультразвуковая энергия. Калибровка относится к выводу относительно абсолютного размера частиц, входя в определение функции порогового значения амплитуды. Также эхо-сигнал от задней стенки может применяться для проверки функционирования измерительной системы, так как отклонения во вводе ультразвука волноводами обнаруживаются и тем самым также могут корректироваться.

Ультразвуковой отражатель позиционируется в измерительной среде в зависимости от используемых волноводов. При этом предпочтительно возможны следующие расположения:

а) если волноводы расположены под углом друг к другу (фиг. 3), самая высокая амплитуда ультразвука определяется фокусом 9, который задается точкой пересечения воображаемого продолжения обоих волноводов. Ультразвуковой отражатель расположен на некотором расстоянии от волновода так, что фокус 9 лежит между волноводом с одной стороны и ультразвуковым отражателем с другой стороны. Расстояние от фокуса 9 до ультразвукового отражателя лежит предпочтительно в диапазоне от 5 мм до 80 мм.

В случае, когда глубина резервуара 4 является лишь очень малой, может случиться, что фокус 9 лежит дальше, чем отражатель 5 или стенка резервуара. Этот случай не является идеальным, однако измерение еще возможно.

b) Если волноводы 2, 8 расположены параллельно друг другу (фиг. 2) или при работе с одним волноводом 2 (фиг. 1), положение ультразвукового отражателя 5, 4а задается фокусом 13 ультразвукового поля. Этот фокус 13 зависит от геометрии концов волноводов 2, 8, которые расположены в текущей среде 3. Ультразвуковой отражатель 5 и ограничивающая стенка 4 резервуара предпочтительно расположены на расстоянии, большем или равном (13). Также в случаях структуры согласно фиг. 1 и/или фиг. 2, фокус 13 ультразвукового поля лежит в пространстве, которое ограничено с одной стороны посредством концов волноводов, а с другой стороны - посредством ультразвукового отражателя 5 или ограничивающей стенки 4а резервуара.

В случае, когда глубина резервуара 4 является лишь очень малой, может случиться, что фокус 9 лежит дальше, чем отражатель 5 или стенка резервуара. Этот случай не является идеальным, однако измерение еще возможно.

с) В зависимости от размера или глубины резервуара 4, фокус 13 может лежать в направлении распространения ультразвука также за отражателем 5 или за ограничивающей стенкой 4а, так, например, даже за пределами резервуара 4.

Для измерения расплава алюминия в качестве текущей среды 3 можно выбрать, например, структуру, показанную на фиг. 3. Фокус 9 соответствует приблизительно расстоянию 50 мм от концов волноводов 2, 8. Угол между волноводами 2, 8 здесь соответствует от 8° до 30°. Ультразвуковой отражатель 5 или ограничивающая стенка 4а резервуара состоит из стали горячей обработки. Здесь также пригодны, в частности, керамические материалы или все тугоплавкие, плохо смачиваемые в текущей среде материалы, такие как SiAlON, нитрид кремния, оксид алюминия.

Волноводы 2, 8 предпочтительно выбраны так, что создается достаточное смачивание текущей средой. Структуры волноводов соответствуют, например, таким, как показано на фиг. 1, 2, 3, 5.

Для расплавов алюминия в качестве среды могут быть использованы волноводы из титана (класса 2). Другими подходящими материалами волновода являются нитрид кремния, SiAlON, сталь (сталь горячей обработки 1018 Н13 (США) или X40 CrMoV 5-1 и сталь горячей обработки в растворе (1.4436)). Волноводы имеют, например, длины 600 мм, 500 мм, 400 мм или 300 мм и диаметры 8 мм, 9 мм, 10 мм, 11 мм, 12 мм, 13 мм или 14 мм.

Частота ультразвукового поля лежит предпочтительно в диапазоне частот от 2 МГц до 12 МГц. Например, для расплава алюминия в качестве среды измерения оказалась пригодной ультразвуковая частота 6 МГц или 10 МГц, причем особенно предпочтительна ультразвуковая частота около 10 МГц.

Для оценки числа частиц в текущей среде выбирается временной диапазон оценки согласно фиг. 4 перед эхо-сигналом от задней стенки или эхо-сигналом от ультразвукового отражателя. Путем выбора временного диапазона оценки можно индивидуально устанавливать измерительный объем. Меньший временной диапазон оценки соответствует меньшему измерительному объему.

Временной диапазон оценки при этом сильно связан с ультразвуковыми полями в среде, так как необходима достаточная ультразвуковая энергия.

Для расплавов алюминия выбирается временной диапазон оценки, который соответствует приблизительно 4 см в среде. Конец временного диапазона оценки лежит непосредственно перед эхо-сигналом от задней стенки (фиг. 4). Так как посредством этого временного диапазона может устанавливаться измерительный объем, также в принципе возможен значительно более короткий, но при достаточной ультразвуковой энергии, а также значительно более длинный временной диапазон.

Предпочтительным образом, в пределах выбранного временного диапазона отсчитывается количество значений амплитуды, которые превышают определенную функцию порогового значения амплитуды (см. фиг. 4). Значение отсчета пропорционально концентрации частиц, так что конкретная концентрация частиц может быть вычислена с помощью калибровочной функции из значения отсчета.

Для расплава алюминия, таким образом, могут быть получены релевантные и определяемые системой измерения диапазоны концентрации в диапазоне от 100 частиц до 100000 частиц на кг расплава алюминия.

Посредством функции порогового значения амплитуды или выбора нескольких функций порогового значения амплитуды можно сделать выводы относительно размера частиц или распределения частиц по размерам, причем для калибровки может использоваться амплитуда и форма эхо-сигналов от задней стенки. С помощью этого затем можно получить выводы относительно абсолютного размера частиц или распределения частиц по размерам. В противном случае, получают качественные выводы. Функция порогового значения амплитуды может также математически связываться с эхо-сигналом от задней стенки, чтобы корректировать отклонения во вводе из среды ввода или приема в текущую среду.

Функция порогового значения амплитуды предпочтительно имеет постоянную временную характеристику или, например, чтобы скорректировать акустическое затухание в измерительной среде, логарифмическую или экспоненциальную характеристику. Акустическое затухание следует, например, экспоненциальной функции с отрицательным показателем. Путем умножения на экспоненциальную функцию с положительным показателем, может быть скорректировано влияние затухания.

Нанесение наконечника смачивания (12), см. фиг. 5, позволяет получить локально контролируемое смачивание волновода средой. При этом на конце волновода 2 помещается растворяющаяся в текущей среде оболочка (11), в которой находится вызывающее смачивание вещество (10). После погружения в среду 3, наконечник смачивания (12) растворяется, и вызывающее смачивание вещество (10), таким образом, высвобождается локально. Другая возможность состоит в том, что чтобы расплавить вызывающее смачивание вещество, и волновод (2) (8) одним концом погрузить в жидкое, вызывающее смачивание вещество (10).

В качестве вызывающего смачивание вещества (10) предпочтительно используют общепринятые для расплава металла и особенно расплава алюминия расплавленные соли (соль 1: примерный состав: KCl (47,6%), NaCl (45,7%), SO4 (2,14%), CaF2 (0,14%); соль 2: примерный состав: КСl (50%), NaCl (50%)).

Например, соли могут быть введены в оболочку из алюминиевой фольги, которая служит в качестве наружного слоя (11). Оболочка затем надевается на концы волноводов (см. фиг. 5) и растворяется в жидкости/расплаве металла.

Кроме того, оболочка может состоять из материала, который в жидкости плавится или растворяется.

Перечень ссылочных позиций

1 ультразвуковой преобразователь

2 волновод

3 жидкость, особенно суспензия

4 резервуар

4а ограничивающая стенка

5 ультразвуковой отражатель

6 устройство оценки

7 дополнительный ультразвуковой преобразователь

8 волновод

9 фокус ультразвукового поля

10 наружный слой

11 оболочка

12 наконечник смачивания

13 фокус ультразвукового поля

Использование: для количественного определения числа и размера компонентов в виде частиц, содержащихся в среде, текущей вдоль проточного канала. Сущность изобретения заключается в том, что в текущую среду вводятся ультразвуковые волны, которые по меньшей мере частично отражаются от компонентов в виде частиц, и отраженные от них составляющие ультразвуковых волн детектируются в форме ультразвуковых временных сигналов, которые являются основой для количественного определения,при этом ввод ультразвуковых волн в текущую среду таким образом, что по меньшей мере часть введенных ультразвуковых волн подвергается отражению от области стенки проточного канала, ограничивающей текущую среду, или от отражателя, размещенного внутри проточного канала, за счет которого формируется ультразвуковой временной эхо-сигнал, соотносимый с областью стенки или с отражателем; определяют по меньшей мере одну функцию порогового значения амплитуды, которая устанавливает для каждого детектированного ультразвукового временного сигнала пороговое значение амплитуды, с учетом по меньшей мере ультразвукового временного эхо-сигнала; выполняют обнаружение соотнесенных с отдельными ультразвуковыми временными сигналами значений амплитуды, которые соответственно больше, чем пороговое значение амплитуды, установленное для соответствующих ультразвуковых временных сигналов, и затем выполняют соотнесение обнаруженных значений амплитуды со значениями, которые описывают размер и количество компонентов в виде частиц. Технический результат: обеспечение возможности определения числа частиц, концентрации частиц и/или размеров частиц в смесях веществ, жидкостях, суспензиях, особенно расплавов с высокой точностью и воспроизводимостью. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ количественного определения числа и размера компонентов в виде частиц, содержащихся в среде, текущей вдоль проточного канала, при котором в текущую среду вводятся ультразвуковые волны, которые по меньшей мере частично отражаются от компонентов в виде частиц, и отраженные от них составляющие ультразвуковых волн детектируются в форме ультразвуковых временных сигналов, которые являются основой для количественного определения,

отличающийся следующими этапами способа:

- ввод ультразвуковых волн в текущую среду таким образом, что по меньшей мере часть введенных ультразвуковых волн подвергается отражению от области стенки проточного канала, ограничивающей текущую среду, или от отражателя, размещенного внутри проточного канала, за счет которого формируется ультразвуковой временной эхо-сигнал, соотносимый с областью стенки или с отражателем,

- определение по меньшей мере одной функции порогового значения амплитуды, которая устанавливает для каждого детектированного ультразвукового временного сигнала пороговое значение амплитуды, с учетом по меньшей мере ультразвукового временного эхо-сигнала,

- обнаружение соотнесенных с отдельными ультразвуковыми временными сигналами значений амплитуды, которые соответственно больше, чем пороговое значение амплитуды, установленное для соответствующих ультразвуковых временных сигналов, и

- соотнесение обнаруженных значений амплитуды со значениями, которые описывают размер и количество компонентов в виде частиц.

2. Способ по п. 1,

отличающийся тем, что ввод ультразвуковых волн в среду, текущую через проточный канал, осуществляют в основном направлении распространения, ориентированном поперечно или наклонно к направлению потока текущей среды,

что распространяющиеся вдоль основного направления распространения ультразвуковые волны ортогонально или наклонно падают на ограничивающую проточный канал область стенки или на отражатель, размещенный в пределах проточного канала, и отражаются от них и

что детектирование отраженных составляющих ультразвуковых волн осуществляют в зоне или в месте ввода.

3. Способ по п. 1 или 2,

отличающийся тем, что для определения функции порогового значения амплитуды учитывают по меньшей мере одно из следующих физических свойств:

- учет распределения ультразвукового поля в текущей среде,

- учет акустического затухания ультразвуковых волн в текущей среде,

- учет условий ввода ультразвуковых волн в текущую среду.

4. Способ по одному из пп. 1-3,

отличающийся тем, что обнаружение значений амплитуды, которые, соответственно, больше, чем установленное для соответствующего ультразвукового временного сигнала пороговое значение амплитуды, осуществляют в пределах устанавливаемого временного диапазона оценки, который соответствует пространственному диапазону измерения внутри среды, текущей вдоль основного направления распространения, и лежит между местом ввода и областью стенки, ограничивающей проточный канал, или отражателем.

5. Способ по любому из пп. 2-4,

отличающийся тем, что ввод ультразвуковых волн в текущую среду осуществляют сфокусированным образом, так что ультразвуковые волны фокусируются в фокальной точке, находящейся вдоль основного направления распространения, которая лежит в основном направлении распространения перед областью стенки, ограничивающей проточный канал, или отражателем или после них.

6. Способ по одному из пп. 1-5,

отличающийся тем, что соотнесение обнаруженных значений амплитуды со значениями, которые описывают количество компонентов в виде частиц в пределах протекающей среды, основано на числе или частотности, с которой обнаруженные значения амплитуды, приходящиеся на каждый ультразвуковой временной сигнал, лежат выше соответствующего порогового значения амплитуды, установленного посредством функции порогового значения амплитуды для ультразвукового временного сигнала.

7. Способ по одному из пп. 1-6,

отличающийся тем, что соотнесение обнаруженных значений амплитуды со значениями, которые описывают размер компонентов в виде частиц, основано на соответствующей численной величине значения амплитуды ультразвукового временного сигнала.

8. Способ по п. 7,

отличающийся тем, что для получения абсолютных значений размера определяется калибровочное значение или калибровочная функция посредством обнаружения ультразвукового временного сигнала, особенно его амплитуды и/или формы сигнала, который получают путем отражения ультразвуковых волн от известного ультразвукового отражателя.

9. Способ по п. 8,

отличающийся тем, что по меньшей мере одну функцию порогового значения амплитуды определяют с использованием калибровочного значения или калибровочной функции.

10. Устройство для количественного определения числа и размера компонентов в виде частиц, содержащихся в среде, текущей вдоль проточного канала, при котором в текущую среду вводятся ультразвуковые волны, которые по меньшей мере частично отражаются от компонентов в виде частиц, и отраженные от них составляющие ультразвуковых волн могут детектироваться в форме ультразвуковых временных сигналов и использоваться для количественного определения,

отличающееся тем, что с целью ввода ультразвуковых волн в текущую среду по меньшей мере один акустически связанный с ультразвуковым преобразователем волновод по меньшей мере на участках погружен в текущую среду,

что волновод, состоящий из материала волновода, по меньшей мере в области, в которой волновод погружен в текущую среду, окружен наружным слоем, так что наружный слой расположен между остальным материалом волновода и текущей средой, и

что наружный слой имеет состав материала, отличающийся от остального материала волновода, причем состав материала наружного слоя содержит по меньшей мере одно вещество, вызывающее и/или поддерживающее смачивание текущей средой волноводного материала;

при этом по меньшей мере одно вещество представляет собой расплавленную соль;

причем по меньшей мере одно вещество окружено оболочкой или матрицей из материала, расплавляющегося в текущей среде.

11. Устройство по п. 10,

отличающееся тем, что волновод имеет c одной стороны тупой, заостренный подводящий или сформированный в определенной геометрической форме конец для ввода сфокусированных ультразвуковых волн в текущую среду,

что волновод по меньшей мере на участках на стороне конца окружен наружным слоем, состав материала которого выбран в зависимости от текущей среды таким образом, что состав материала при контакте с текущей средой растворяется.

12. Применение устройства по одному из пп. 10-11 для определения концентрации инородных тел в расплаве металла, особенно в расплаве алюминия в качестве текущей среды.