Entwicklung eines Ultraschallsensorsystems zur Konzentrationsbestimmung gelöster Stoffe in Flüssigkeitsdispersionen

Teilprojekt ISAT: Multisensorkonzept und Auswertealgorithmen

Ultraschall (US) wird schon seit Jahrzehnten zu analytischen bzw. diagnostischen Zwecken eingesetzt, etwa zur berührungslosen Füllstandsmessung oder Sonographie im medizinischen Bereich. Zur Prozessüberwachung bei Anlagen, die Flüssigkeiten verarbeiten, etwa in der Getränke- oder chemischen Industrie, findet US ebenfalls häufig Anwendung, etwa für die Durchfluss- oder Gasblasenbestimmung. Der große Vorteil ist dabei, dass US auch opake Medien, etwa Milch, durchschallen kann und somit auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen optische Messsysteme versagen.

Die zahlreichen Wechselwirkungen zwischen Ultraschall und durchschalltem Medium erlauben Rückschlüsse auf die Zusammensetzung eines homogenen oder heterogenen Stoffgemischs. In flüssigkeitsführenden Anlagen kommen daher US-Sensoren zur Durchflussmessung, Konzentrationsmessung gelöster Stoffe oder Bestimmung disperser Phasen wie Partikel, Tröpfchen oder insbesondere Gasblasen zum Einsatz. Eine Herausforderung ist aktuell noch die Konzentrationsmessung gelöster Stoffe, z. B. Zucker, in Gegenwart disperser Phasen. Grund dafür ist, dass solche dispersen Phasen den Schall stark streuen. Eine zuverlässige Laufzeitmessung, d. h. Messung der Schallgeschwindigkeit, deren Änderung zur Konzentrationsbestimmung genutzt wird, ist dann nur noch schwer oder gar nicht mehr möglich, da den Detektor keine ausreichend hohe Signalamplitude oder Störsignale erreichen. Eine weitere Herausforderung stellen Ablagerungen auf dem Sensor dar, die oftmals allmählich während eines Produktionszyklus aufwachsen. Diese Ablagerungen bewirken i. d. R. eine andere Schallgeschwindigkeit und damit einen Signaldrift in der Laufzeit.

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Ultraschall (US)-Sensors, welcher trotz Störungen durch Luftblasen, Partikel und Schichtanlagerungen am Sensor zuverlässig die Konzentration gelöster Stoffe in Dispersionen bestimmt. Hierzu soll ein Multisensorsystem konzipiert werden, welches in der Lage ist, durch Variation der US-Signale hinsichtlich Frequenz, Amplitude und Modulation, einerseits Störsignale zu reduzieren und andererseits das untersuchte Medium mittels geeigneter Algorithmen zu charakterisieren, um die Konzentration darin gelöster Stoffe trotz Störeinflüssen zuverlässig zu bestimmen. Ein wesentlicher Aspekt bei der Signalauswertung ist, dass der Algorithmus in der Lage ist, zwischen einer durch disperse Phasen verursachten Messstörung und einer Abweichung im überwachten Produktionsprozess, die zu einer Nichteinhaltung des Sollwertes führt, zu unterscheiden. Eine echte Prozessabweichung kann im Vergleich zu einer Messstörung einen erheblichen wirtschaftlichen Schaden durch Anlagenstillstand oder Ausschuss bedeuten. Folglich ist eine klare messtechnische Unterscheidung zwischen Störung und Prozessabweichung essentiell für einen Weiterbetrieb der Anlage und die Produktqualität.

Fördermaßnahme

KMU-innovativ: Produktionsforschung, Themenfeld „Zukunft der Wertschöpfung“

Projekttitel

Entwicklung eines Ultraschallsensorsystems zur Konzentrationsbestimmung gelöster Stoffe in Flüssigkeitsdispersionen (NoBub)

Laufzeit

01.01.2024 – 30.06.2026

Förderkennzeichen

02P23K041

Fördervolumen ISAT

249.892 €