Messung der akustischen Impedanz einer Flüssigkeit in einem akustischen Wellenleiter

Die kontinuierliche und zuverlässige Konzentrationsmessung in Flüssigkeiten ob zur Dosierung oder Prozessverfolgung stellt auch heute noch eine große messtechnische Herausforderung dar. Akustische Sensorsysteme sind für diese Messaufgabe insbesondere unter industriellen Einsatzbedingungen prädestiniert. Es gibt eine Vielzahl verschiedener sorgfältig entworfener Ultraschallsensoren, die diese Aufgabe durch Bestimmung der Schallgeschwindigkeit und der akustischen Impedanz lösen. Sie basieren meist auf senkrechten Durchgängen des Schalls durch Grenzschichten, was sie sehr empfindlich gegenüber Ablagerungen macht. Dieser Beitrag liefert einen neuen Ansatz, indem die gesamte Oberfläche des Messraumes als akustischer Wellenleiter gestaltet und genutzt wird. Es hat sich gezeigt, dass sich durch Ausnutzen verschiedener Simulationswerkzeuge die Hauptkomponenten eines Empfangssignals berechnen lassen, die eindeutig den verschiedenen modalen Anteilen zugeordnet werden können. Damit ist es möglich, allein aus dem Empfangssignal eines herkömmlichen Ultraschallwandlers auf die modalen Anteilsfaktoren zu schließen. Mit Hilfe dieser Koeffizienten und eines Modells des akustischen Wellenleiters lässt sich ein Gleichungssystem aufstellen, das den Zusammenhang zwischen Dissipation in der Flüssigkeit sowie der durch Wellenleitergeometrie und Impedanzverhältnisse bedingten Signaldämpfung und den Amplituden der modalen Anteilsfaktoren beschreibt.