Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur ortsaufgelösten Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der ortsaufgelösten Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens.

In der industriellen Fertigung, bei der Abwasserbehandlung, im Papierrecycling und in der Erzaufbereitung ist der Einsatz von Schäumen in der Schaumflotation als Verfahren zur T rennung von verschiedenen Feststoffpartikeln bekannt. Dabei werden oft chemische Substanzen in das vorliegende Festpartikel-Flüssigkeitsgemisch eingebracht. Diese eingebrachten Substanzen binden häufig an die Festpartikel und verleihen ihnen die Eigenschaft „hydrophob“. Durch hinzugeben eines Schäumungsmittels und dem Einsatz eines Blasenerzeugers, welcher zumeist durch das Feststoff-Flüssigkeitsgemisch Luft bläst, wird ein Schaum erzeugt, an welchen die nun hydrophoben Feststoffpartikel binden. Der Schaum weist somit eine Beladung von Feststoffpartikeln auf.

Zur Charakterisierung eines, ggf. auch beladenen, Schaumes sind vorherrschend insbesondere optische Verfahren zur Messung der Schaumkronenhöhe im Einsatz. Weitere Verbreitung finden u. a. Ultraschall gestützte Systeme oder Messungen der elektrischen Leitfähigkeit zur Bestimmung von Füllstandshöhen einer unter einem Schaum befindlichen Flüssigkeitssäule.

Die DE 10 2004 036 645 A1 zeigt eine Niveausensorvorrichtung, mittels derer über ein Ultraschall-Messverfahren bspw. die Füllstandshöhe von Flüssigkeiten in Behältern ermittelt werden kann. Die Erfindung sieht vor, einen Ultraschallwandler in ein Tauchrohr einzubetten, wobei der signalaussendende Wandler möglichst in Bodennähe des Behälters angeordnet ist. Anschließend sendet der Wandler ein Signal zu a) einem ebenfalls in der Flüssigkeit liegenden, mit definiertem Abstand angebrachten Reflektor und b) zur Flüssigkeitsgrenzschicht. Aus der Signallaufzeit des Echos vom Reflektor wird die flüssigkeitsspezifische Schallgeschwindigkeit bestimmt. Anhand der ebenfalls ermittelten Signallaufzeit des von der Grenzfläche zwischen Fluid und Luft reflektierten Signals wird nun die Höhe der Flüssigkeitssäule bestimmt. Das Verfahren ist jedoch nur für Flüssigkeiten geeignet und erlaubt keine Charakterisierung von Schäumen. Eher gegenteilig zum bestehenden technischen Problem beansprucht die Erfindung, dass das Verfahren trotz Schaumbildung an der Flüssigkeitsoberfläche fehlerfreie Messwerte liefert, da eine Durchstrahlung des Schaumes mit dem Schallsignal konstruktiv bedingt gar nicht erst stattfindet.

Die US 8,495,913 B2 offenbart ein akustisches Verfahren, welches die Bestimmung der Lagen, also der Phasengrenzen, von unterschiedlichen Phasen (bspw. Grenze flüssig-Phase- Gasphase) in Behältern ermöglicht. Hierzu werden Ultraschallwandler eingesetzt, welche auf einer Achse parallel zur Behälterwand paarweise (Empfänger-Sender-Paar) sowohl im Oberteil als auch im unteren Teil des Behälters angeordnet werden, wobei die Anzahl der Paare zwischen 2 und 500 für industrienahe Anwendungen vorgeschlagen wird. Jedem Sender wird also ein entsprechender gegenüberliegender Empfänger zugeordnet, der aus einem Schallsignal seines Senders ein elektrisches Signal erzeugt. Im Folgenden werden die von den Empfängern generierten elektrischen Signale erfasst. Durch Vergleich der akustischen Eigenschaften der elektrischen Signale der einzelnen Ultraschallwandler-Paare in verschiedenen Höhenlagen des Behälters können die akustischen Eigenschaften der unterschiedlichen Medien, innerhalb derer die Ultraschallwandler-Paare im Behälter angebracht sind, bestimmt werden. Somit wird eine Auflösung möglich, an welcher Stelle (auf der Achse parallel zur Behälterseitenwand) welche Phase vorherrscht. Das Verfahren sowie die Anordnung eignen sich jedoch nicht für die Bestimmung von Phasengehalten oder der vertikalen Geschwindigkeit innerhalb eines Schaumes.

Die DE 198 10 092 A1 zeigt ein Ultraschall-basiertes Verfahren zur Echtzeiterfassung von Schaumparametem während des Herstellprozesses von Polyurethanschaum (PUR) von der flüssigen Phase bis hin zum Vorliegen eines stabilen, festen Schaums, Hierbei wird der zu untersuchende Schaum in eine separate Messkammer geleitet und mittels Transmissionsverfahren von einem Ultraschallwandler durchschallt. Über eine computergestützte Auswertung (die Erfindung nennt hier kein konkretes Auswertungsverfahren) können Materialparameter wie Viskosität, Schallgeschwindigkeit, Blasengröße und Blasenstruktur bestimmt werden. Das Verfahren beinhaltet jedoch keine ortsauflösende Messung von Eigenschaften des Schaumes, bspw. Strömungsfelder innerhalb des sich entwickelnden Schaumes. Diese können nicht erfasst werden.

Aus der DE 10 2006 057 772 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Schaum sowie ein zugehöriges Verfahren zur Charakterisierung des erzeugten Schaums bekannt. Hierbei werden in einer Elektrodenkammer, welche auf einen eine Dispersion enthaltenden Behälter aufgesetzt ist und mit diesem verbunden wird, mindestens zwei Elektrodenpaare angeordnet, die zeitaufgelöst die spezifische Leitfähigkeit des Schaumes erfassen, während dieser im Laufe des Herstellprozesses in der Elektrodenkammer aufsteigt. Dies ermöglicht eine Aussage über den Alterungsprozess des Schaumes sowie Blasengrößenverteilung oder Gasgehalt. Mit einem zusätzlich angeordneten Kamerasystem, also optischer Erfassung, kann zudem der Zerfallsprozess des Schaumvolumens charakterisiert werden sowie eine Drainage (Reduzierung des Flüssigkeitsanteils) beobachtet werden. Das Verfahren ermöglicht jedoch keine Bestimmung von Phasenzusammensetzungen, insbesondere Partikelgehalt und erfasst keine ortaufgelösten Strömungsgeschwindigkeiten im Schaum.

Aus der WO 2005/003758 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung charakteristischer Schaumparameter bekannt. Hierzu wird mittels einer Aufnahmevorrichtung (bspw. CCD-Kamera) ein Bild des Schaumes aufgenommen und anschließend ein elektronisches Bild (Binärbild) von diesem erzeugt. Über eine Bildanalyse mittels verschiedener mathematischer Verfahren werden dabei Parameter des Schaumes, vor Allem Struktur, Zusammensetzung oder Alterungszustand ermittelt. Hierbei können fließende, zerfallende oder auch stabile feste Schäume untersucht werden. Nachteilig an dem Verfahren ist, dass die optische Auswertung keine Schlüsse auf Strukturparameter innerhalb des Volumens zulässt und somit etwaige Strömungszonen an verschiedenen Orten innerhalb des Schaumvolumens von außerhalb nicht zugänglich sind.

In der DE 10 2017 117 475 A1 wird eine bevorzugt akustisch ausgestaltete Analysevorrichtung sowie ein Analyseverfahren offenbart, welche der automatischen Erfassung von Füllstandsparametern, genauer der Einschenkparameter, einer schäumenden Getränkeflüssigkeit dient. Dabei wird durch die Analyse des Schaumes bzgl. seiner flüssigen Phase, die im Schaum gebundene Getränkemenge ermittelt und der tatsächliche Getränkeinhalt eines Glases bestimmt. Darüber hinaus kann keine weitere Phasenunterscheidung vorgenommen werden.

Den zitierten Schriften ist ein generelles Fehlen von Orts- und Strömungsinformationen aus dem Inneren des Schaumvolumens gemein. Diesem Umstand geschuldet, sind weder die Informationen über die Phasenzusammensetzung noch Informationen über die tatsächlich vorherrschenden Strömungsverhältnisse in bzw. aus diesen Raumbereichen zugänglich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Dazu wird ein Verfahren zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens vorgeschlagen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Beschaffenheit des zu untersuchenden schaumartigen Mediums in mehrere Phasen unterteilt. Für das schaumartige Medium werden eine „gasförmige-Phase“, eine „flüssig-Phase“ unterschieden und die im Schaum vorkommenden Feststoffpartikel werden als „feste Phase“ verstanden. Das gleichzeitige vorliegen mehrerer der beschriebenen Phasen in einem gegebenen oder zu bestimmenden Mischungsverhältnis wird als Phasenzusammensetzung verstanden.

Als Phasengrenzflächen werden demnach die Übergänge von einer Phase in eine andere Phase (Luft-Flüssigkeit, Luft- Feststoff, Flüssigkeit-Feststoff) verstanden.

Der Anteil, welcher dabei auf die feste Phase der Phasenzusammensetzung entfällt, wird im Sinne dieser Schrift als Partikelbeladung verstanden.

Die Strömungsverhältnisse betreffen sowohl das Verhalten der einzelnen Phasen als auch das Verhalten der Gesamtheit aller im Volumen befindlichen Phasen bei der Beaufschlagung mit Geschwindigkeit.

Die Charakterisierung wird mittels Ultraschall vorgenommen und erfolgt nach den Schritten a) Aussenden einer Ultraschallwelle mindestens einer Frequenz mittels eines Ultraschallsenders in ein Schaumvolumen, b) Durchlaufen der Ultraschallwelle durch das Schaumvolumen, c) Streuung der Ultraschallwelle an den verschiedenen Phasengrenzflächen, d) Detektion des gestreuten Ultraschallechos mittels eines Ultraschallempfängers, e) Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung aus den gemessenen Dämpfungseigenschaften, f) Vergleich der gemessenen Dämpfungseigenschaften mit Dämpfungseigenschaften bekannter Phasengemische, g) Zuordnung von Laufzeit des Schallsignals und Ort der Rückstreuung, h) Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, i) Messung der longitudinalen Geschwindigkeitskomponente im jeweiligen Zeitabschnitt durch Vergleich aufeinanderfolgender Echosignale, j) Kombination der Informationen aus den Schritten e), f), g), h) und i), um die ortsspezifische Strömungsgeschwindigkeit der Phasengrenzflächen zu ermitteln, k) Kombination der Phasenanteile mit der lokalen Geschwindigkeit um Stoffströme zu bestimmen.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche. Zunächst werden Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz in das Schaumvolumen eingebracht. Dabei kann sowohl eine einzige Frequenz als auch eine Sequenz oder Überlagerung mehrerer Frequenzen genutzt werden. Dabei werden die Schallwellen derart eingekoppelt, dass der Vektor der in der Zielregion vorherrschenden Fließgeschwindigkeit des Schaumvolumens mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden direkten Verbindungslinien zwischen Zielregion und Ultraschallsender bzw. Zielregion und Ultraschallempfänger einen definierten Winkel zwischen 0° und 360° einnehmen, wobei die Winkel 90° und 270° ausgeschlossen sind, da diese keine Informationen bzgl. einer eventuellen Dopplerverschiebung enthalten.

In der Zielregion wird die Schallwelle gestreut. Die Streuung der einlaufenden Welle hin zum Wellendetektor wird als Ultraschallecho verstanden.

Das aus dem Schaum den Detektor erreichende Ultraschallecho wird mittels des Ultraschalldetektors erfasst. Das erfasste Signal wird bezüglich des Zeitpunktes des Detektierens in Zeitabschnitte aufgeteilt.

Die so erhaltenen Zeitabschnitte des Streuechos werden mit Ortskoordinaten entlang der Schallachse innerhalb des Schaumvolumens korreliert, an dem die Echoerzeugung stattfand.

Das Amplitudenspektrum des Streuechos ist abhängig von der vorherrschenden Schaumzusammensetzung entlang des Schallwegs sowie am Streuobjekt. So weisen beispielsweise Orte mit hoher Partikelbeladung andere Eigenschaften bzgl. der stattfindenden Reflexion, Absorption und Transmittanz auf als die Regionen niedriger Partikelbeladung. Dabei werden die Begriffe der Reflexion, Absorption und Transmittanz unter dem Begriff der Dämpfungseigenschaften zusammengefasst und unter Transmittanz die Fähigkeit eines Körpers zur Durchleitung von Wellen verstanden. Somit werden aus dem gemessenen Schallecho die Dämpfungseigenschaften entlang des Schallwegs mittels iterativer mathematischer Verfahren abschnittsspezifisch berechnet.

Dabei wird jedem zeitlichen Signalabschnitt die für diesen Abschnitt spezifische Dämpfungseigenschaften zugeordnet. Aus der Reflexion, Transmittanz und Absorption, bzw. den Dämpfungseigenschaften, wird anhand von Modellen der akustischen Eigenschaften bekannter Phasengemische eine Aussage über die erwartete ortsspezifische Phasenzusammensetzung getroffen. Auf der Basis von weiteren Modellen wird aus der abschnittspezifischen Phasenzusammensetzung die lokale Schallgeschwindigkeit ermittelt. Aus der Gesamtheit der Schallgeschwindigkeiten in jedem Abschnitt wird eine Zuordnung zwischen Zeitabschnitt und Ort der Echoerzeugung durchgeführt.

Die Schaumbewegungen in jedem zeitlichen Signalabschnitt werden aus dem Vergleich der „Phasenlage“ aufeinanderfolgender Echosignale unter der Ausnutzung des Doppler-Effekts gemessen. Über obigen Zusammenhang zwischen zeitlichem Abschnitt und Ort der Echoerzeugung wird die longitudinale Geschwindigkeitskomponente der Phasengrenzflächen entlang der Schallachse rekonstruiert.

Die Erfindung ermöglicht somit vorteilhaft eine unmittelbare quantitative Bewertung der anteiligen Zusammensetzung des Schaumes bezüglich seiner festen, flüssigen oder gasförmigen Phasenbestandteile sowie der im Kollektiv stattfindenden Schaumbewegung.

Für den Begriff der Streuung gilt: Trifft eine Ultraschallwelle, im Folgenden auch als „Welle“ bezeichnet, auf eine Unstetigkeit in der akustischen Impedanz, insbesondere eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Phasen, so kommt es zur Beugung der Welle, Brechung der Welle und Reflexion der Welle in unterschiedlichem Ausmaße. Die genannten Prozesse haben gemeinsam, dass sie je nach Medium zur Änderung der Wellenausbreitungseigenschaften in der Lage sind. Als Wellenausbreitungseigenschaften werden die Schallgeschwindigkeit und die im Medium erfahrende Dämpfung verstanden. Prozesse, welche ebendiese Eigenschaften beeinflussen werden in dieser Schrift als Streuung verstanden.

Als Ultraschall, ggf. als US abgekürzt, bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz bis zu Frequenzen von etwa 1 GHz. In dieser Schrift wird der Bereich des Ultraschalls als der Frequenzbereich von 10 kHz bis 10 MHz verstanden, da in diesem Bereich der Kompromiss aus hinreichend guter hoher Ortsauflösung und notwendiger Eindringtiefe gegeben ist. Dabei gilt, je größer die Schallfrequenz, desto höher die Dämpfung und desto geringer die Eindringtiefe.

Zur Erzeugung des Ultraschalls werden häufig Ultraschallwandler eingesetzt. Ein Ultraschallwandler kann als Ultraschallsender und/oder als Ultraschallempfänger betrieben werden

Ein Ultraschallwandlerarray ist die linienhafte oder flächige Anordnung von Ultraschallwandlern.

Durch die Einteilung des Signals in Zeitabschnitte ist es möglich, die räumlichen Informationen zuzuordnen. Dabei wird jedem Zeitfenster der empfangenen Welle eine Ortsinformation zugeordnet. Zusätzlich ist es nun möglich, die Echosignale mehrerer Schallwellen mit verschiedenen Frequenzen zu kombinieren. Dadurch kann die Dämpfungseigenschaft eines Schaumvolumens für verschiedene Schallfrequenzen verglichen und somit eine verlässlichere Aussage über die Phasenzusammensetzung des Schaumvolumens getroffen werden als es mit nur einer Frequenz möglich wäre. Mit den beanspruchten Bereichsgrenzen von 0,01 MHz bis 10 MHz wird im Mittel eine minimale Ortsauflösung von 3 cm und eine maximale Eindringtiefe von 30 cm realisiert. Die verwendeten Schäume zur Erhebung der Messdaten weisen dabei einen gemittelten Durchmesser der Schaumblasen von 5 mm bei einer Unsicherheit von bis zu +/- 1 mm auf. Damit weist der vorliegende Schaum eine flüssig-Phase zwischen 0,1 % und 5 % auf.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind mathematische Gleichungen zur Anwendung zur Lösung des Problems bekannt, wie aus den gegebenen Messdaten, die Geschwindigkeit des Schaums abzuleiten ist. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der aufgewandte Rechenaufwand der Datenverarbeitungsanlage gut vorbestimmt werden kann. Dies ermöglicht einerseits vorteilhaft die Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit eines solchen Systems und bietet andererseits die Möglichkeit zur Verwendung auf tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, z. B. Smartphones und Tablets, um ggf. in transportablen Prüf- und Messmitteln Einsatz zu finden.

In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das Senden von Serien aufeinanderfolgender Ultraschallpulse mit gleicher Frequenz mittels eines, oder mehrerer, Ultraschallwandler oder Serien aufeinanderfolgender Ultraschallpulse mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen. Die Messung und/oder Aufzeichnung des am Phasengemisch gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals erfolgt durch einen oder mehrere Ultraschallwandler und daran angeschlossene Datenverarbeitungsanlage oder Auswerteelektronik.

Das gemessene Ultraschallsignal bzw. Echosignal wird in zeitbasierte Abschnitte eingeteilt und für diese zeitbasierten Abschnitte die Messung und/oder Bestimmung der Intensität für verschiedene Schallfrequenzen vorgenommen. Dabei wird unter anderem die Amplitude des in einem Phasengemisch gemessenen gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals mit der Intensität identifiziert.

Neben den gemessenen Intensitäten des gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals sind modellbasierte, ggf. simulierte, Werte erwarteter Intensitäten eines gestreuten und/oder transmittierten Ultraschallsignals in bekannten Phasengemischen verfügbar und bilden einen Vergleichsgegenstand mit den Messdaten.

Somit wird vorteilhaft ein modellbasierter Vergleich der Intensitäten der Signale mit dem Reflexions- Absorptions- und Transmissionsvermögen von Phasengemischen mit verschiedenen Zusammensetzungen unter Beachtung der Überlagerung von Reflexion, Absorption und Transmission entlang der möglichen Schallausbreitungspfade ermöglicht.

Aus diesem Vergleich erfolgt eine Rekonstruktion der Zusammensetzung des Phasengemisches in den jeweiligen zeitbasierten Abschnitten.

Mit der so bestimmten rekonstruierten Phasenzusammensetzung eines jeweiligen zeitbasierten Abschnittes, wird auf der Grundlage von modellhaften Phasengemischen mit bekannter Zusammensetzung eine Aussage über die jeweilige Schallgeschwindigkeit ermöglicht.

Mit der so ermittelten Schallgeschwindigkeit für die jeweiligen zeitbasierten Abschnitte erfolgt eine Zuordnung der Laufzeit des Schallsignals und dem Ort der Rückstreuung entlang des Schallausbreitungspfades. Somit erfolgt eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen zeitbasierten Abschnitts im Echosignal und den real räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades.

Aus Vereinigung der Informationen der Zuordnung von zeitbasiertem Abschnitt und realem Ort sowie der rekonstruierten Phasenzusammensetzung für einen zeitbasierten Abschnitt erfolgt nun die Rekonstruktion der wahrscheinlichsten Zusammensetzung des Phasengemisches in den jeweiligen räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades.

In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt durch wiederholtes Durchlaufen der Identifikation von zeitbasiertem Abschnitt und Phasenzusammensetzung sowie lokaler Schallgeschwindigkeit und Phasenzusammensetzung eine verbesserte Beachtung der Überlagerung von Reflexion, Absorption und Transmission entlang der möglichen Schallausbreitungspfade.

In Ausführungsformen der Erfindung wird das Verfahren auf bewegte, fließende Phasengemische angewendet und durch wiederholende Ausführung des Verfahrens eine aktualisierte Zusammensetzung des Phasengemisches in den räumlichen Abschnitten entlang des Schallausbreitungspfades ermöglicht. Anschließend erfolgt der Vergleich der Phasenlage in identischen zeitbasierten Abschnitten aufeinanderfolgender Echosignale. Mit der zuvor vorgenommenen Zuordnung der zeitbasierten Abschnitte zu räumlichen Abschnitten und den bekannten Schallgeschwindigkeiten in den jeweiligen räumlichen Abschnitten lässt sich die lokale Geschwindigkeit des Phasengemisches in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen einfallender und reflektierter Schallwelle berechnen. Durch Multiplikation der Geschwindigkeit des Phasengemisches in den jeweiligen räumlichen Abschnitten mit dem zugehörigen Phasenanteil kann der Stoffstrom in dem jeweiligen räumlichen Abschnitt bestimmt werden.

Die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes bietet die Möglichkeit zum vorteilhaften Einsatz selbstlernender Algorithmen. Diese finden vorteilhafte Verwendung in stationären Systemen, beispielsweise im industriellen Maßstab. Durch die Möglichkeit des Einsatzes leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen ist somit die effiziente Verarbeitung großer Datenmengen gewährleistet.

Vorteilhaft wird durch die Verwendung eines neuronalen Netzwerkes die Abbildung komplexer und nicht eindeutiger Zusammenhänge von Schallausbreitungseigenschaften und Schaumzusammensetzung ermöglicht.

Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist mindestens einen Ultraschallwandler auf.

In jedem Falle ist der Ultraschallwandler in relativer Nähe eines Schaumvolumens derart ausgerichtet, dass der davon ausgesandte Ultraschall einer direkten Linie vom Sender zur Zielregion folgt, in der Zielregion gestreut wird und nach der Streuung von der Zielregion zum Empfänger propagiert. Die Propagation des Ultraschalls wird in direkter Line dem folgenden Verlauf folgen: Eintritt in das Schaumvolumen, Durchschreiten des Schaumvolumens bis zur Zielregion, Streuung in der Zielregion unter anderem in Richtung eines Ultraschallempfängers, Durchschreiten des Schaumvolumens durch die gestreute Welle, Verlassen des Schaumvolumens und anschließende Detektion durch den Ultraschallsender.

Die Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger schließen bevorzugt einen Winkel von 0 ° bis +/-180 ° ein. Hierbei ist der Fall +/-180 ° explizit ausgeschlossen, da sich in diesem Falle keine ortsaufgelöste Informationen über die Schaumgeschwindigkeit aus dem rückgestreuten Ultraschall gewinnen lassen.

Besonders bevorzugt werden Winkel der Verbindungslinien von Sender zur Zielregion und von der Zielregion zum Empfänger von -5 ° bis 5 ° eingenommen, da in diesem Bereich vorteilhaft eine geringere Unsicherheit der Messung zu erzielen ist. Insbesondere bevorzugt werden Ultraschallwandler verwendet, welche gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten und somit die Verbindungsvektoren ausgehend vom Sender hin zur Zielregion und von der Zielregion in zum Empfänger modellhaft als antiparallel verstanden werden und somit einen Winkel von 0 ° einschließen.

Die Anordnung zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall weist in einer Ausführungsform zusätzlich mindestens eine Datenverarbeitungsanlage auf. Die Datenverarbeitungsanlage ist dabei bevorzugt zur Signalerzeugung des Ultraschallsignals, zur Energieversorgung des/der Ultraschallwandler/s und zur Aufzeichnung der Signale des Ultraschallempfänges geeignet. Die Datenverarbeitungsanlage ist insbesondere dazu ausgebildet, die empfangenen Signale bezüglich ihrer physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitudenspektrum“ auszumessen.

Um in einer weiteren Ausführungsform eine flächige Abdeckung der Datenaufnahme zu ermöglichen und/oder zu erweitern, weist die Anordnung eine Verstellmechanik auf, an welcher mindestens ein Ultraschallsender und/oder mindestens ein Ultraschallempfänger befestigt werden kann. Die Verstellmechanik ist geeignet, die Position der Ultraschallelemente derart zu variieren, dass verschiedene ggf. benachbarte Orte mit Ultraschall durchstrahlt werden können. Die Verknüpfung aus den Positionsdaten der Verstellmechanik und den gemessenen physikalischen Kenngrößen „Frequenz“, „Phase“ und „Amplitude“ der rückgestreuten Welle kann so vorteilhaft zur Erweiterung des Messbereichs genutzt werden.

Die Verwendung eines etwaigen Auswerteverfahrens erfolgt nach Detektion der Ultraschallwelleneigenschaften der jeweils gestreuten Ultraschallanteile. Dazu wird auf einer vorteilhaft verwendeten Datenverarbeitungsanlage ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung der Phasenzusammensetzung der Strömungsverhältnisse eines Schaumvolumens ausgeführt. In das Computerprogrammprodukt werden zur Bewältigung der Berechnungsaufgaben beispielsweise die gemessenen Welleneigenschaften „Frequenz“, „Phasenlage“ und .Amplitudenspektrum“ über die Dauer des Echosignals eingegeben.

Die Grundlage des Computerprogramms sind Modelle, welche den Zusammenhang zwischen Phasenanteilen und akustischen Eigenschaften beschreiben.

Die verwendeten Modelle sind bevorzugt aus Modellversuchen abgeleitet, da Simulation häufig nicht das benötigte Vertrauensniveau besitzen, um die ortsspezifische Charakterisierung der Phasenzusammensetzung sowie der Strömungsverhältnisse innerhalb des Schaumvolumens hinreichend zu bestimmen. Unter der Verwendung des Verfahrens zur ortsspezifischen Charakterisierung der Phasenzusammensetzung und der Strömungsverhältnisse innerhalb eines Schaumvolumens mittels Ultraschall wird vorteilhaft die Erstellung von Bildinformationen, statischer oder bewegter Bilder, ermöglicht. Insbesondere im Falle bewegter Bilder kann somit vorteilhaft die Kinematik der Schaumströmung bestimmt und quantifiziert werden.

Insbesondere bei der Erstellung bewegter Bilder wird die Charakterisierung in Echtzeit bevorzugt. Echtzeit bedeutet hierbei, dass zwischen der Aufnahme der Messdaten und der Ausgabe der Ergebnisse nach deren Auswertung durch eine Datenverarbeitungsanlage eine gegebene Zeitspanne nicht überschritten wird. Dies ermöglicht zusätzlich eine vorab vorteilhafte Dimensionierung der benötigten Datenverarbeitungsanlage.

Eine stationäre Ausführung der Messanordnung wird für den Einsatz an großtechnischen Anlagen zur permanenten Prozesskontrolle bevorzugt. Dies ermöglicht den vorteilhaften Einsatz leistungsstärkerer Datenverarbeitungsanlagen zur Erfassung und Analyse von großen Datenmengen.

Als weitere Ausführung wird ein portables System zur Verwendung zu Mess- und Prüfaufgaben zu Überwachungszwecken bevorzugt. Dies ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von tragbaren Datenverarbeitungsanlagen, wie z. B. Smartphones oder Tablet-Rechnern.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zweckmäßig miteinander zu kombinieren.

Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben und in den zugehörigen Figuren dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Wandlerarrays aus Ultraschallwandlern (101) vor einer Schaumablaufkante. Ein partikelbeladener Schaum mit Feststoffpartikeln (401) strömt in Richtung des Wandlerarrays zeigend über diese Kante. Schematisch wird das Einstrahlen mehrerer Wellenfronten (201) des Ultraschalls in das Schaumvolumen (301) dargestellt. Die gestreuten Anteile und die Fließrichtung des strömenden Schaums nehmen somit einen Winkel im beanspruchten Bereich zwischen 0° und 90° ein.

Fig. 2 zeigt schematisch den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der ortsspezifischen Zusammensetzung eines Schaumvolumens. Bei dieser Darstellung liegt die Echowelle bzw. das Echosignal (102) bereits vor und wird zunächst in verschiedene Zeitabschnitte (202) eingeteilt. Die jeweiligen Intensitäten des Echosignals zum gegebenen Zeitabschnitt wird in einer Analyseeinrichtung in Form einer Datenverarbeitungsanlage mit Rekonstruktionsalgorithmus (302) zugeführt. In der Analyseeinrichtung wird das Echosignal hinsichtlich der Amplituden bei verschiedenen Frequenzen ausgewertet. Daraus werden wiederum Reflexion und Transmission an dieser Position bestimmt. Mittels eines Modells, beispielsweise einer Modellrechnung, kann daraus die Phasenzusammensetzung ermittelt werden. Aus der Phasenzusammensetzung kann wiederum auf die lokale Schallgeschwindigkeit geschlossen werden und somit jeder Zeitabschnitt einem Ort zugewiesen werden. Weiterhin wird damit die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit in diesem Zeitabschnitt ermöglicht.

Somit kann anschließend die Rekonstruktion der ortsspezifischen Phasenzusammensetzung, der lokalen Schallgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit (402) erfolgen.

Beispielsweise wird zum Aufbau der Vorrichtung ein runder piezoelektrischer Ultraschallwandler mittels einer Halterung derart in der Nähe einer Schaumflusszone angebracht. Die Schaumflusszone ist in diesem Falle die Ablaufkante einer Schaumflotationszelle, über welcher sich die Bewegung des Schaumes ereignet. Zu dieser Ablaufkante ist die Schallausbreitungsrichtung des Ultraschallwandlers derart angeordnet, dass die aktive, schallerzeugende Fläche in Richtung der Ablaufkante zeigt. Der verwendete Ultraschallwandler weist dabei einen Durchmesser der schallerzeugenden Fläche, des sog. Schwingers, von 19 mm und eine nominale Mittenfrequenz von 175 kHz auf.

Der Ultraschallwandler wird durch eine geeignete Elektronik angesteuert. Dabei wird aus dem elektrischen Signal eine Ultraschallwelle erzeugt. Das in den Wandler eingekoppelte elektrische Signal entspricht einem Rechtecksignal und weist eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Die Signalamplitude wird auf 160 V (peak to peak) eingestellt. Die daraus resultierende Ultraschallwelle weist somit erwartungsgemäß eine Mittenfrequenz von 175 kHz auf. Dies entspricht einer Wellenlänge in Luft von ca. 2 mm. Das Ultraschallsignal wird über die Anzahl von 5 Perioden aufrechterhalten.

Die folgenden Schritte zur Messung werden mit einer Rate von 250 Hz wiederholt. Die Aufnahme der Messdaten beginnt mit der Aussendung des Ultraschallsignals. Nach dessen Aussendung breitet es sich zunächst in Luft aus und dringt dann in das Schaumvolumen ein. Im Schaumvolumen wird der Schall an der Schaumstruktur sowie an den Partikeln im Schaum gestreut und erfährt so ggf. Änderungen seiner Eigenschaften „Frequenz“, „Phasenlage“, und/oder „Amplitude“. Ein Teil des gestreuten Ultraschalls wird in Richtung des Ultraschallwandlers gelenkt und durch diesen empfangen und in ein elektrisches Analogsignal gewandelt. Das elektrische Analogsignal wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers, AD- Wandlers, in ein elektrisches digitales Signal gewandelt, verstärkt und auf einer Festplatte gespeichert. Der dazu verwendete AD-Wandler weist dabei eine Abtastfrequenz von 625 kHz auf.

Zur computergestützten Nachverarbeitung werden die empfangenen und gespeicherten Signale in zeitbasierte Abschnitte unterteilt. Ein Zeitabschnitt umfasst in diesem Beispiel eine Zeitspanne von 3,2 ps. Für jeden dieser Abschnitte wird die Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals bestimmt und modellbasiert werden aus Reflexion, Dämpfung und Transmission des Signals für jeden Abschnitt die Phasenanteile der festen, flüssigen und gasförmigen Phase bestimmt.

Zur modellbasierten Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Schaumes wird ein Computerprogramm verwendet, welches diese aus den Messdaten der zeitlichen Abschnitte nacheinander aufgenommener Signalfolgen mittels dopplerbasiertem Auswerteverfahren berechnet.

Als nacheinander aufgenommene Signalfolgen werden hier 100 aufeinander folgende Signalaussendungen verstanden. Damit wird die Geschwindigkeitskomponente des Schaumes in Schallausbreitungsrichtung linienhaft erfasst und kann für die gegebene Parameterkombination bis zu einem Maximalwert der Strömungsgeschwindigkeit von bis zu 123 mm/s bestimmt werden.

Die Kombination aus den Phasenanteilen sowie der Strömungsgeschwindigkeit liefert somit den Volumenstrom der einzelnen Phasen.

Bezugszeichen

101 Ultraschallwandler

102 Echosignal

201 Ultraschallwellenfront

202 Zeitabschnitte des Echosignals

301 Schaumvolumen

302 Datenverarbeitungsanlage mit Rekonstruktionsalgorithmus

401 Feststoffpartikel

402 Rekonstruktion der Phasenzusammensetzung F, der

Schallgeschwindigkeit c und der Zuordnung des Ortes x zum Zeitpunkt t