(57)【要約】本発明は、流路に沿って流動する媒体内に含まれる粒子成分の数及びサイズを定量的に判定する方法及び装置に関し、流動媒体に超音波が結合され、超音波が少なくとも部分的に粒子成分に反射され、反射された超音波部分が、超音波時間信号の形で検出され、超音波時間信号に基づいて定量的な判定が行われる。本発明は、超音波を流動媒体に結合するステップであって、結合された超音波の少なくとも一部分が、流動媒体に境界を付ける流路の壁領域又は流路内に導入された反射体に反射され、それを介してエコー超音波時間信号が生成され、壁領域又は反射体に関連付けることができる、結合するステップと、少なくともエコー超音波時間信号を考慮して、検出された各超音波時間信号に対する振幅閾値を確立する少なくとも一つの振幅閾値関数を判定するステップと、個々の超音波時間信号に関連付けられ、それぞれ各超音波時間信号に対して確立された振幅閾値より大きい振幅値を検出するステップと、検出された振幅値を、粒子成分のサイズ及び数を示す値に割り当てるステップとを特徴とする。【選択図】図１
2019525140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路に沿って流動する媒体内に含まれる粒子成分の数及びサイズを定量的に判定する方法であって、前記流動媒体に超音波が結合され、前記超音波が少なくとも部分的に粒子成分に反射され、前記反射された超音波部分が、超音波時間信号の形で検出され、前記超音波時間信号に基づいて定量的な判定が行われる、方法において、
- 前記超音波を前記流動媒体に結合するステップであって、前記結合された超音波の少なくとも一部分が、前記流動媒体に境界を付ける前記流路の壁領域又は前記流路内に導入された反射体に反射され、それを介してエコー超音波時間信号が生成され、前記エコー超音波時間信号が前記壁領域又は前記反射体に関連付けることができる、結合するステップと、
- 少なくとも前記エコー超音波時間信号を考慮して、検出された各超音波時間信号に対する振幅閾値を確立する少なくとも一つの振幅閾値関数を判定するステップと、
- 前記個々の超音波時間信号に関連付けられ、それぞれ各超音波時間信号に対して確立された振幅閾値より大きい振幅値を検出するステップと、
- 前記検出された振幅値を、前記粒子成分のサイズ及び数を示す値に割り当てるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記超音波が、主伝播方向が前記流動媒体の流れ方向に対してある角度で誘導された状態で、前記流路を流れる前記媒体に結合され、
前記主伝播方向に沿って進む前記超音波が、前記流路を区切る前記壁領域に対して直交若しくは傾斜し、又は前記流路内に位置する反射体に当たって反射され、
前記反射された超音波部分が、結合区域内又は結合箇所で検出されることを特徴とする、
請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記振幅閾値関数を計算するために、以下の物理的特性、すなわち
-  前記流動媒体内の超音波場分布の考慮、
-  前記流動媒体内の前記超音波の音響減衰の考慮、
-  前記流動媒体内の前記超音波の結合状態の考慮のうちの少なくとも一つが考慮されることを特徴とする、
請求項1又は2に記載の方法。
【請求項４】
前記振幅値のうち、前記それぞれの超音波時間信号に対して画定された振幅閾値より個々に大きい振幅値が、画定可能な評価時間範囲内で捕捉され、前記画定可能な評価時間範囲が、前記主伝播方向に沿って前記流動媒体内の空間測定範囲に対応し、前記結合位置と前記流路を区切る前記壁領域又は前記反射体との間に位置することを特徴とする、
請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記流動媒体への前記超音波の結合が集束され、前記超音波が、前記主伝播方向に沿って位置する焦点に集束され、前記焦点が、前記流路を前記主伝播方向に区切る前記壁領域の前又は後ろに位置することを特徴とする、
請求項2から4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記捕捉された振幅値を、前記流動媒体内の粒子成分の数を示す値に割り当てることが、超音波時間信号ごとに捕捉された前記振幅値が前記振幅閾値関数によって各超音波時間信号に対して画定された振幅閾値を上回る数又は統計的頻度に基づいて行われることを特徴とする、
請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記捕捉された振幅値を、前記粒子成分のサイズを示す値に割り当てることが、前記超音波時間信号の前記振幅値のそれぞれの数量に基づいて行われることを特徴とする、
請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
絶対的なサイズ値を得るために、知られている超音波反射体に対する前記超音波の反射によって得られる超音波時間信号、特に前記超音波時間信号の振幅又は/及び信号形状を捕捉することによって、較正値又は較正関数が計算されることを特徴とする、
請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの振幅閾値関数が、前記較正値又は較正関数を使用して計算されることを特徴とする、
請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
流路に沿って流動する媒体内に含まれる粒子成分の数及びサイズを定量的に判定する装置であって、前記流動媒体に超音波が結合され、前記超音波が少なくとも部分的に前記粒子成分に反射され、反射された超音波部分が、超音波時間信号の形で検出され、前記超音波時間信号に基づいて前記定量的な判定が行われる、装置において、超音波を前記流動媒体に結合するために、超音波トランスデューサに音響的に結合された少なくとも一つの導波管の少なくとも一区間が、前記流動媒体内に浸漬され、
導波管材料からなる前記導波管が、少なくとも前記導波管のうち前記流動媒体内に浸漬された領域内で外層によって取り囲まれ、その結果前記外層が、他の導波管材料と前記流動媒体との間に配置され、前記外層が、前記他の導波管材料の材料組成物とは異なる材料組成物を有することを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記導波管が、集束された超音波を前記流動媒体に結合するために、尖っていない、先細りした、又は幾何学的に成形された端部を、一方の側に有し、
前記導波管の前記端部の少なくとも一部分が、前記外層によって取り囲まれ、前記外層の材料組成物が、前記材料組成物が前記流動媒体に接触すると溶解するように、前記流動媒体に応じて選択されることを特徴とする、
請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
前記外層の前記材料組成物が、前記導波管材料上の前記流動媒体の湿潤を開始及び/又は支持する少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする、
請求項10又は11に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの物質が、精錬塩であることを特徴とする、
請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの物質が、前記流動媒体内に溶融可能な材料からなるカバー又は母材によって取り囲まれることを特徴とする、
請求項12又は13に記載の装置。
【請求項１５】
流動媒体である溶融金属内、特にアルミニウム溶湯内の異物の濃度を判定するための請求項10から14のいずれか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路に沿って流動する媒体内に含まれる粒子成分の数及びサイズを定量的に判定する方法及び装置に関し、流動媒体に超音波が結合され、超音波が少なくとも部分的に粒子成分に反射され、反射された超音波部分が、超音波時間信号の形で検出され、この超音波時間信号に基づいて定量的な判定が行われる。
【背景技術】
【０００２】
特に金属処理及び化学産業において、特に懸濁液などの不均一材料混合物を定量的に分析することがしばしば必要とされる。例としては、溶融金属が挙げられる。溶融金属は、金属又は金属混合物に加えて、汚染物質及び/又は他の望ましい若しくは望ましくない成分を含み、たとえば溶融金属内に、酸化物、塩化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、及び/又は金属間相からなる粒子が含まれる。化学産業では、不均一材料混合物は、たとえばポリマーを製造する重合中に生じる。どちらの例でも、生産工程を制御、調整、又は監視するために、材料混合物の成分に関して正確に定量的に表すこと、すなわち粒子の数、粒子濃度、及び/又は粒径を判定することが可能であることが望ましい。
【０００３】
たとえばアルミニウム溶湯における超音波に基づく粒子検出の分野では、カーバン(Kurban)M.、サマービル(Sommerville)I.D.、マウントフォード(Mountford)N.D.G.、モントフォード(Montford)P.H.、「An ultrasonic sensor for the Continuous Online Monitoring of the Cleanliness of Liquid Aluminium」、Light Metals 2005、TMS、945-949からの「メタルビジョン(MetalVision)」法が知られており、連続アルミニウム鋳造で使用されている。この方法では、平行なスチールの導波管を介して、液体のアルミニウム溶湯に超音波が結合される。測定結果の再現性の欠如が欠点である。
【０００４】
容器内の溶融金属に懸濁して含まれるものを超音波によって個々に視覚化、サイズ測定、及び計数するための方法及び装置は、文献EP1194772B1及びDE60001951T2から推論することができる。少なくとも一つの超音波トランスデューサによって、個々の「超音波ショット」の形で超音波が生成され、導波管を介して調査すべき溶融金属に結合され、超音波は、溶融金属内に含まれるものによって部分的に反射される。反射された超音波は、超音波検出器によって検出され、画像分析による計数並びに測定及び視覚化の目的で評価される。検出された超音波から得られるエコー信号の画像分析及び定量的測定は、較正ステップの一部として得られた較正曲線に基づいて行われ、知られている安定したサイズの少なくとも一つの較正用反射体が使用される。この目的で、較正用反射体は、「フォーカルスポット」の区域内の溶融金属内に位置決めされ、この区域内で超音波が溶融金属と相互作用し、反射された超音波部分はこの区域から出て、これを少なくとも一つの超音波検出器によって捕捉することができる。この較正曲線により、検出されたエコー信号の振幅と、エコー信号が反射された障害物の直径との間の関数関係が得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、材料混合物、液体、懸濁液、特に溶湯内の粒子の数、粒子濃度、及び/又は粒径を高い精度及び再現度で判定する目的の方法及び装置、並びに装置の使用を提供することである。さらに、この方法に伴う労力及びこの装置の技術的特徴を低減させることが意図される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した技術的目的は、請求項1に記載の方法、請求項10に記載の装置、及び請求項15に記載の装置の使用によって解決される。さらに有利な実施形態は、従属請求項の追加の特徴から導出することができる。
【０００７】
請求項1のプリアンブルの特徴によって定義される解決策による方法は、超音波が流動媒体に直接伝播又は結合することを可能にし、その結果、結合された超音波の少なくとも一部が、流動媒体を区切る流路の壁領域又は流路内に位置決めされた反射体によって反射され、それによってエコー超音波時間信号が生成され、このエコー超音波時間信号を壁領域又は反射体に割り当てることができる。超音波は、好ましくは、粒子成分を定量的に捕捉することが重要な溶融金属へ結合される。また、超音波への結合によって懸濁液などの任意の不均一な液体材料混合物を分析して、粒子成分の判定を定量化することも可能である。
【０００８】
超音波は、好ましくは、主伝播方向が流動媒体の流れ方向に対してある角度で誘導された状態で、流動媒体に結合され、主伝播方向に沿って進む超音波は、好ましくは、流路を区切る壁領域に到達するとき、この壁領域に直交しており、それに応じてこの壁領域によって反射される。主伝播方向におけるその後方の境界である壁領域で反射された超音波を含めて、流動媒体内の超音波進路全体に沿って反射される超音波部分は、好ましくは、超音波が結合される領域内又はその正確な位置で検出される。このようにして、結合箇所と後方境界壁との間の経路全体に沿って、超音波時間信号が受け取られる。境界壁によって引き起こされる超音波の反射は、特徴的なエコー超音波時間信号として特異であり、検出された各超音波時間信号に対する振幅閾値を画定する少なくとも一つの振幅閾値関数を計算するために使用される。
【０００９】
たとえば二つ以上の導波管が使用され、そのうち少なくとも第2の導波管がレシーバとして働くとき、その検出位置は、結合位置とは異なることがある。
【００１０】
超音波の結合位置と流路を区切る壁領域との間の距離が大きすぎる場合、及び/又は壁領域が、たとえば堆積物のため、可能な限り小さい損失で超音波を反射するのに適していない場合、平滑、好ましくは平坦な反射体表面を有する追加の反射体が、流路内へ挿入される。
【００１１】
好ましくは、少なくとも一つの振幅閾値関数を計算する際、以下の物理的特性のうちの少なくとも一つが考慮される。
a)流動媒体内の超音波場分布、すなわち超音波の方向に応じて、たとえば1次サイドローブの形で流動媒体内を伝播する超音波の空間範囲及び強度、
b)流動媒体内の超音波の音響減衰、すなわち流動媒体内の漸進的な伝播による超音波振幅の媒体特有及び媒体関連の低減、
c)流動媒体内の超音波の結合状態、すなわちたとえば流動媒体内を伝播する超音波内の超音波圧電トランスデューサによる、超音波が生成される最初の超音波エネルギーの変換の性能。このようにして、変化する結合状態が、変動するエコー超音波時間信号として直接表され、このエコー超音波時間信号が振幅閾値関数に与える直接の影響が、すべての超音波時間信号の振幅閾値に作用する。この場合、振幅閾値関数は、すべての時間的に連続する超音波時間信号に対して補正される。しかし、時間的に先行する振幅閾値を補正する必要はない。
【００１２】
流動媒体内に含まれる粒子成分の定量的な捕捉及び評価を目的として、さらなるステップで、捕捉された個々の超音波時間信号に割り当てられた振幅値のうち、それぞれの超音波時間信号に対して画定された振幅閾値より個々に大きいすべての振幅値が捕捉される。
【００１３】
有利には、結合位置と後壁後壁領域との間で流動媒体内の反射事象によって生成されるすべての超音波時間信号が、さらなる評価に含まれるわけではない。むしろ、主伝播方向に沿って流動媒体内の空間測定領域に対応する評価時間範囲が画定され、これは、結合位置と流路を区切る後壁との間の任意の点に位置することができる。この評価時間範囲及びそれに関連する分析のための測定体積は、調査のパラメータに応じて適当に寸法設定することができる。
【００１４】
その最も簡単な形態では、画定可能な評価時間範囲内の超音波時間信号の評価に必要とされる振幅閾値関数は水平の直線であり、この直線上に、検出された超音波時間信号が数値比較のために適当に重ねられる。
【００１５】
超音波場分布、減衰、結合状態などの前述した態様は、超音波時間信号の後の評価に該当する要件に応じて、振幅閾値関数においてそれに対応して考慮することができる。
【００１６】
同様に、振幅閾値関数のプロットは、対数又は指数のコースをたどることがある。流動媒体の音響減衰は、たとえば負の指数を有する指数関数に従う。このようにして、正の指数を有する指数関数でこの振幅閾値関数を乗じることによって、減衰の影響を補正することができる。
【００１７】
前述の減衰補正に対する別法又は組合せとして、振幅閾値関数の曲線は、正又は負の勾配を有する線形であるものとして選択することができる。たとえば、平坦な円形の発振器から開始して、超音波が媒体に結合される位置、すなわち遠距離音場からの距離zが増大するとともに、音圧は約1/z減少する。したがって、この影響は、正の勾配を有する関数で振幅閾値関数を乗じることによって補正することができる。
【００１８】
また、集束された状態で超音波を流動媒体に結合することも可能であり、すなわち超音波は、主伝播方向に沿って位置する焦点に集束され、この焦点は常に、流路を主伝播方向に区切る壁領域の前にある。
【００１９】
原則的に、焦点は、評価時間範囲及び/又は画定された測定体積に対して任意の位置とすることができ、すなわち評価時間範囲の内側又は外側に選択することができる。
【００２０】
他方では、超音波の焦点が評価時間範囲内にある場合、その焦点で最も低い振幅閾値を画定し、次いで焦点からの距離が増大するとともに両側で増大させることが有利である。しかし、超音波の焦点が評価時間範囲の外側にある場合、振幅閾値関数は、正又は負の勾配を有することが有利である。
【００２１】
概して、振幅閾値関数のプロットは、複数の変数の影響が考慮されるとき、極めて複雑なコースをとることができる。また、たとえばそれに応じて粒径分布を判定することが可能になるように、いくつかの異なる振幅閾値関数を適用することも役立つ。異なる振幅閾値関数の管理可能な数は、典型的には、1〜10の範囲内である。
【００２２】
評価時間範囲内の振幅値のうち、それぞれの値に基づいて、振幅閾値関数を上回るすべての振幅値を捕捉した後、最終的に、流動媒体内の捕捉された粒子成分のサイズ及び/又は数を示す値を、これらの振幅値に割り当てなければならない。
【００２３】
したがって、超音波時間信号ごとに捕捉された振幅値が振幅閾値関数によって各超音波時間信号に対して画定された振幅閾値を上回る数又は統計的頻度に基づいて、捕捉された粒子成分の数を判定することができる。
【００２４】
他方では、粒子成分のサイズに関する情報は、超音波時間信号の振幅値の数値合計に基づいており、すなわち超音波時間信号のピーク高さ又は振幅サイズは、それぞれの粒径を示す。この文脈で、超音波時間信号のピーク高さもまた、超音波結合状態に依存しており、振幅閾値関数の動的適合によって、この問題に対処しなければならないことに留意されたい。
【００２５】
このようにして得られた情報に基づいて、粒子の数及び流動媒体内で捕捉された粒子成分の相対的な粒径分布を判定することが可能である。
【００２６】
粒径を絶対値で厳密に指定することが必要である場合、「ルックアップテーブル」とも呼ばれる参照表を使用することができる。また、別個の試験シリーズにおいて、知られている超音波反射体からの超音波の反射によって得られる超音波時間信号、特に超音波時間信号の振幅又は/及び信号形状を捕捉することによって、較正値又は較正関数を判定することも可能である。このようにして得られる較正値又は較正関数は、少なくとも一つの振幅閾値関数を判定する基礎として後に使用することができる。
【００２７】
加えて、請求項1のプリアンブルの特徴による流路に沿って流動する媒体内に含まれる粒子成分の数及びサイズを定量的に判定する装置が、超音波を流動媒体に結合するために、超音波トランスデューサに音響的に結合された少なくとも一つの導波管の少なくとも一区間が、流動媒体内に浸漬され、導波管材料からなる導波管は、少なくとも導波管のうち流動媒体内に浸漬された領域内で外層によって取り囲まれ、その結果外層が、他の導波管材料と流動媒体との間に配置され、外層は、他の導波管材料の材料組成物とは異なる材料組成物を有することを特徴とする。
【００２８】
導波管は、好ましくは、集束された超音波を流動媒体に結合するために、尖っていない、先細りした、又は故意に幾何学的に成形された導波管先端部を、一方の側に有する。この文脈で、導波管先端部の少なくとも一部分が、外層によって取り囲まれ、外層の材料組成物は、材料組成物が流動媒体に接触すると溶解するように、流動媒体に応じて選択される。
【００２９】
外層の材料組成物は、導波管材料上の流動媒体の湿潤を開始及び/又は支持する少なくとも一つの物質を含み、この物質は、流動媒体と同じではない。少なくとも一つの物質は、好ましくは、精錬塩である。
【００３０】
少なくとも溶融金属内で使用するために、精錬塩を決定的に導波管先端部の領域に入れるために、精錬塩は、アルミニウム箔などの測定媒体内で溶融及び/又は溶解する材料によって取り囲まれる。導波管先端部に接触した精錬塩は、導波管の表面上のあらゆる酸化物を変位させ、したがって導波管と、好ましくはアルミニウム溶湯の形の流動媒体との間の直接的な接触を可能にする。
【００３１】
さらなる詳細は、以下の説明で以下の実施形態を参照して与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】超音波を媒体に結合するための導波管によって流動媒体内の粒子成分を測定する装置を示す図である。
【図２】超音波を媒体に結合するための二つの導波管を有する図1による装置を示す図である。
【図３】集束された超音波を媒体に結合するための二つの導波管を有する図2による装置を示す図である。
【図４】振幅閾値関数が重ねられた超音波時間信号及び評価時間範囲の概略図である。
【図５】導波管先端部に湿潤シューを備えた導波管を有する図1による装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に説明する図を参照して、たとえば材料混合物、溶融物、アルミニウム溶湯などの溶融金属、又は液体の形の流動媒体3内の粒子成分の濃度並びに/又は数及びサイズを高精度で測定することが可能な装置について説明する。
【００３４】
図1に表すように、エミッタとして機能する超音波トランスデューサ1によって超音波が生成され、この超音波は、超音波を結合する手段である導波管2を介して、調査すべき液体に結合される。流動媒体3は、図面の平面に直交して容器4を流れると想定する。図1に表すように、同じ超音波トランスデューサ1が、流動媒体3からの超音波場のレシーバとしても働くことができる。
【００３５】
図2及び図3のそれぞれで、追加の音響的に結合された導波管8を有するさらなる超音波トランスデューサ7が使用され、導波管8は、追加の超音波トランスデューサ7を音響的に流動媒体3に結合する。二つ以上の超音波トランスデューサが存在する場合、様々な動作モードを実施することができ、たとえば超音波トランスデューサ1がエミッタとして働き、超音波トランスデューサ7がレシーバとして働くことができ、若しくは逆も同様であり、又は超音波トランスデューサ1、7の両方がエミッタとして働き、時間的にずれてレシーバとして働くこともできる。少なくとも一つの超音波トランスデューサ1、7によって受け取られた超音波信号は、測定装置/評価技術/評価器6によって記録及び評価される。評価器6は、流動媒体3からの超音波場の反射又はエコー及び流動媒体3内に任意選択で導入される超音波反射体5からの反射を捕捉する。好ましくは、材料混合物を少なくとも部分的に密閉する容器4の壁領域4aが、超音波をその伝播方向に区切る超音波反射体5として働く。超音波反射体5、4aからのエコーは、流動媒体3からのエコーの評価を較正する働きをする。超音波反射体5、4aからのエコーに基づいて画定される少なくとも一つの振幅閾値関数を使用して、流動媒体3からのエコーを評価する。
【００３６】
好ましい装置は、他の要素の中でも、少なくとも一つの超音波トランスデューサ1と、超音波トランスデューサ1に音響的に結合された導波管2と、流動媒体3、特に懸濁液を保持し、又は流動媒体3、特に懸濁液が通過することを可能にする容器4と、媒体内に配置された超音波反射体5又は4aとからなり、導波管2は、媒体3内へ突出しており、媒体3内に形成される超音波場が超音波反射体5、4aと第1の導波管2及び/又は追加の導波管8との間に空間的に位置する少なくとも一つの焦点13を有するように、超音波反射体5、4aに対して配置される。
【００３７】
さらに好ましい装置は、他の要素の中でも、少なくとも一つの超音波トランスデューサ1に結合された少なくとも一つの評価器6と、超音波トランスデューサ1に音響的に結合された導波管2と、特に懸濁液の形の流動媒体3が通過する容器4とからなり、導波管2は、媒体3内へ突出しており、超音波トランスデューサ1によって生成される超音波場を媒体3に結合し、流動媒体3内の境界表面、特に媒体3内の粒子からの超音波場の反射を、超音波トランスデューサに超音波時間信号として結合するように構成され、評価器は、閾値関数を使用して受信時間信号内でエネルギー極大又は/及びパワー極大を捕捉及び計数するように構成される。
【００３８】
さらに好ましい装置は、少なくとも、超音波トランスデューサ1に音響的に結合された少なくとも一つの導波管2からなり、導波管2は、分析すべき流動媒体、特に懸濁液内へ突出しており、導波管2の少なくとも一部が、導波管材料の残り部分とは異なる材料組成物を含む外層10を有し、外層10は、導波管材料の残り部分と流動媒体3との間に配置される。図5を参照されたい。
【００３９】
少なくとも一つの導波管2の端部及び超音波反射体5、4aによって画定される空間は、測定体積として働く。
【００４０】
超音波場の焦点13は、好ましくは、測定体積内に位置する。
【００４１】
超音波反射体5、4aによって生じるエコーを後壁エコーとも呼び、これら二つの用語は区別なく使用することができる。
【００４２】
この構造内に組み込まれている超音波反射体5は、図4に示すように、超音波信号内に後全エコーを生成する。後壁エコー内には結合された超音波エネルギーが表されているため、この後壁エコーは超音波信号の較正として働く。この較正は、振幅閾値関数の定義内に含まれることから、絶対的な粒径に関する結論に関する。後壁エコーはまた、液体内で導波管によって超音波の結合変動を検出することができ、またそれによって補正することができるため、測定システムの機能を試験するために使用することができる。
【００４３】
測定媒体内の超音波反射体の位置は、使用される導波管によって判定される。この文脈で、好ましくは以下の配置が可能である。
a)導波管が互いに対してある角度で配置される場合(図3)、二つの導波管の概念上の延長線間の交点から得られる焦点9によって、最も高い超音波振幅が実現される。超音波反射体は、焦点9が一方の側の導波管と他方の側の超音波反射体との間に位置するように、導波管からそのような距離をあけて配置される。焦点9と超音波反射体との間の距離は、好ましくは、5mm〜80mmの範囲内である。容器4が非常に浅い場合、焦点9が反射体5、すなわち容器の壁より遠くなる可能性がある。このケースは理想的ではないが、それでもなお測定を実施することが可能である。
b)導波管2、8が互いに平行に配置された場合(図2)、又は単一の導波管2が使用される場合(図1)、超音波反射体5、4aの位置は、超音波場の焦点13によって画定される。この焦点13は、流動媒体3内に位置する導波管2、8の先端部の幾何形状に依存する。超音波反射体5、すなわち容器の境界壁4aは、好ましくは、より大きい又は等しい距離をあけて配置される(13)。この構造が図1及び/又は図2に表すものであるときでも、超音波場の焦点13は、一方では導波管の先端部によって、他方では超音波反射体5、すなわち容器の境界壁4aによって区切られた空間内に位置する。容器4が非常に浅い場合、焦点9が反射体5、すなわち容器の壁より遠くなる可能性がある。このケースは理想的ではないが、それでもなお測定を実施することが可能である。
c)容器4のサイズ又は深さに応じて、焦点13はまた、超音波伝播方向において反射体5の後ろ又は境界壁4aの後ろに位置することができ、たとえば容器4の外側に位置することもできる。
【００４４】
アルミニウム溶湯を流動媒体3として測定するために、たとえば図3による構造を選択することができる。焦点9は、導波管2、8の先端部から約50mmの距離に対応する。この場合、導波管2、8間の角度は8°〜30°に等しい。超音波反射体5又は容器の境界壁4aは、熱間加工鋼からなる。この文脈で、たとえばSiAlON、窒化ケイ素、酸化アルミニウムを含む、特に流動媒体内での湿潤性に乏しいセラミック材料及び/又はすべての熱溶融材料もまた、使用に非常に適している。
【００４５】
導波管2、8は、好ましくは、流動媒体の十分な湿潤が得られるように選択される。導波管の設定は、たとえば図1、図2、図3、図5に示すものに対応する。
【００４６】
アルミニウム溶湯を媒体として用いる場合、チタン(等級2)の導波管を使用することができる。さらに適した導波管材料としては、窒化ケイ素、SiAlON、スチール(熱間加工鋼1018 H13(USA)又はX40 CrMoV 5-1及び焼鈍鋼(1.4436))が挙げられる。導波管は、たとえば、長さ600mm、500mm、400mm、又は300mmであり、直径8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、又は14mmである。
【００４７】
超音波場の周波数は、好ましくは、2MHz〜12MHzの周波数範囲内である。たとえば、アルミニウム溶湯を測定媒体として用いる場合、6MHz又は10MHzの超音波周波数が適していることが分かっており、約10MHzの超音波周波数が特に好ましい。
【００４８】
流動媒体内の粒子の数を評価するために、後壁エコー又は超音波反射体エコーの前に、図4による評価時間範囲が選択される。評価時間範囲の選択により、測定体積を個々に調整することが可能になる。評価時間範囲が小さければ小さいほど、それに対応して測定体積も小さくなる。
【００４９】
この場合、十分な超音波エネルギーが必要とされるため、評価時間範囲は、媒体内で非常に強力に超音波場に結合される。
【００５０】
アルミニウム溶湯の場合、媒体内で約4cmに対応する評価時間範囲が選択される。評価時間範囲の終端は、後壁エコーの直前に位置する(図4)。測定体積は、この時間範囲によって調整することができるため、原則的にかなり短い時間範囲が可能であり、十分な超音波エネルギーが与えられる場合、かなり長い時間範囲も可能である。
【００５１】
好ましくは、選択された時間範囲内で所与の振幅閾値関数を超過する振幅値の数の計数が実施される(図4参照)。この計数値は、粒子濃度に比例しており、したがってこの計数値から、較正関数を用いて特有の粒子濃度を計算することができる。
【００５２】
アルミニウム溶湯の場合、測定システムによって捕捉することもできる関連濃度範囲は、アルミニウム溶湯1kgあたり100個の粒子から100,000個の粒子の範囲内で検出可能である。
【００５３】
振幅閾値関数又は複数の振幅閾値関数から選択されたものにより、粒径及び/又は粒径分布に関する結論を導き出すことが可能になり、較正の目的で、後壁エコーの高さ及び形状を使用することができる。最終的に、絶対的な粒径及び/又は粒径分布に関する結論を導き出すことも可能である。そうでない場合、定性的な結論が得られる。振幅閾値関数はまた、結合及び/又は受信媒体から流動媒体への結合変動を補正するように、後壁エコーに数学的に結合することができる。
【００５４】
振幅閾値関数は、好ましくは、一定の時間曲線を有し、又は測定媒体内の音響減衰を補正するために、たとえば対数若しくは指数曲線を有する。音響減衰は、たとえば、負の指数を有する指数関数に従う。減衰の作用は、正の指数を有する指数関数によって乗ずることによって補正することができる。
【００５５】
湿潤シュー(12)の導入により、媒体による導波管の局部的に制御可能な湿潤が可能になる。図5を参照されたい。そのような場合、流動媒体内に溶解するカバー(11)が、導波管2の先端部上に配置され、カバー(11)は、湿潤を促進する物質(10)を含む。媒体3内に浸漬後、湿潤シュー(12)は溶解し、湿潤を促進する物質(10)が局部的に解放される。さらなる選択肢は、湿潤を促進する物質を溶融することと、湿潤を促進する液体の物質(10)内に導波管(2)(8)の一方の端部を浸漬することとからなる。
【００５６】
好ましくは溶融金属、特にアルミニウム溶湯に対する湿潤を促進する物質(10)として使用される物質としては、従来の精錬塩(塩1:近似組成物:KCl(47.6%)、NaCl(45.7%)、SO4(2.14%)、CaF2(0.14%)、塩2:近似組成物:KCl(50%)、NaCl(50%))が挙げられる。
【００５７】
これらの塩は、たとえば外層(11)として働くアルミニウム箔のカバー内に配置することができる。次いで、カバーは、導波管の先端部を覆って配置され(図5参照)、液体/溶融金属内に溶解する。
【００５８】
カバーはまた、液体内に溶融又は溶解する材料から作ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
1  超音波トランスデューサ
2  導波管
3  液体、特に懸濁液
4  容器
4a  境界壁
5  超音波反射体
6  評価器
7  さらなる超音波トランスデューサ
8  導波管
9  超音波場焦点
10  外層
11  カバー
12  湿潤シュー
13  超音波場焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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