DE102008004896A1 - On-Line Messsystem der absoluten Viskosität - Google Patents

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Richard W. Grosser
Eugenio Sanchez
Angela Stefana Galiano-Roth
Alan Mark Schilowitz
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Viskosität eines Schmierfluids in einer Prozesslinie. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umgeht die Notwendigkeit, die Temperatur des Schmierfluids in dem System genau regeln zu müssen, wenn die Fluidviskositätsmessungen aufgenommen werden.

Description

  • Technologisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Systeme und Verfahren zum Bestimmten der Fluidviskosität in industriellen Prozessen.
  • Über Jahre wurde die Messung der Ölviskosität in einem Schmiersystem auf eine intervallweise und statische Off-Line-Bestimmung verwiesen. Es gab ein lange empfundenes Bedürfnis für eine Einrichtung, um die Viskosität von Schmierfluiden On-Line und in Echtzeit zu überwachen. Es gibt kommerziell verfügbare Viskosimeter, aber es ist schwierig, konsistente und genaue On-Line-Viskositätsmessungen unter Verwendung dieser Viskosimeter zu erreichen. Viele der kommerziell verfügbaren Viskosimeter sind für eine On-Line-Prozesskontrolle nicht gut geeignet, da sie sehr empfindlich auf Verunreinigungen und Temperaturgradienten sowohl in den Schmierfluiden als auch in dem Viskosimeter selbst sind. In einer Prozessumgebung ist es sehr schwer, Schmierfluide frei von Verunreinigungen zu halten und die Temperatur des Schmierfluids genau auf eine feste Temperatur zu regeln.
  • Bei herkömmlichen Verfahren und Systemen für die Viskositätsmessung ist die Temperatursteuerung von entscheidender Bedeutung, um genaue Resultate zu erzielen. Die Bedeutung der Temperatursteuerung zur Erzielung genauer Viskositätsmessungen mit herkömmlichen Viskosimetern wurde durch Laborexperimente bestätigt. Für eine Probe eines Schmierfluids beispielsweise, das über eine ausgedehnte Zeitperiode in einem Bad konstanter Temperatur gehalten wurde, kann die gemessene Viskosität der Schmierfluidprobe um 5 bis 10% aufgrund von effektiven Temperaturfluktuationen am Messpunkt variieren, auch ohne signifi kante Veränderung in der Haupttemperatur der Schmierfluidprobe. Konsistente Viskositätsmessungen können nur erreicht werden, wenn die Probe des Schmierfluids, der Sensorkopf des Viskositimeters und der Sensorschaft des Viskosimeters auf der gleichen konstanten Temperatur gehalten werden.
  • Das Problem der Temperaturregelung kompliziert sich weiter, wenn die Viskosität durch Kombinieren von Daten von verschiedenen Ausrüstungsgegenständen, die über ein System verteilt sind, abgeschätzt wird, anstatt direkt mit einem Viskosimeter gemessen zu werden. Am häufigsten wird die Viskosität geschätzt, indem der Volumenstrom über eine gemessene Druckdifferenz gemessen wird und die Hagen-Poiseuille-Gleichung verwendet wird, um die Viskosität zu bestimmen. Wie oben bemerkt verkompliziert diese Verfahrensart der Schätzung der Viskosität das Problem der Temperaturregelung. Die Temperatur des Schmierfluids muss üblicherweise an allen Messpunkten (das heißt an allen Orten, wo sich irgendwelche Volumenstrommessgeräte und Drucksensoren befinden) geregelt werden. Eine solche Temperaturregelung kann sehr schwierig sein, insbesondere wenn die Messpunkte in verschiedenen Teilen eines Prozesssystems mit verschiedenen Arbeitstemperaturen liegen. Variationen in den Temperaturen an den verschiedenen Messpunkten können sich auch abhängig von einer Anzahl von Bedingungen verändern, wie etwa Tageszeit, Jahreszeit, Gerätezustand und dergleichen.
  • Eine Datensimulation, wie durch 1 illustriert, demonstriert quantitativ die Größe der Auswirkung, die die Temperatur auf die Viskositätsmessung hat: Für dieses bestimmte Fluid kann eine so geringe Änderung wie 1°C die Viskosität um etwa 4%–7% ändern. Wie in 1 gezeigt ist für ein ISO 220 Industrieschmieröl die kinematische Viskosität, gemessen in Cenistokes (10–6 m2/s) bei 40°C (cSt @ 40°C) um etwa 5,7% höher als bei 41°C. Diese Änderung berücksichtigt nicht einmal Fehler durch Zufallsrauschen, die in der Viskositätsmessung ent halten sein können. Um systemmatische Abweichungen der Viskositätsmessung von weniger als 5% bei herkömmlichen Verfahren und Systemen zu erreichen, kann es notwendig sein, die Messtemperaturen präzise innerhalb von 1°C oder besser zu regeln. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur hängt von dem Typ und der Zusammensetzung des getesteten Fluids ab.
  • Angesichts der Probleme mit herkömmlichen Verfahren und Systemen der On-Line-Bestimmung der Viskosität besteht ein Bedarf für Systeme und Verfahren zum On-Line-Bestimmen der Viskosität, die Temperaturdifferenzen in dem System kompensieren. Daher befriedigt die Erfindung diesen Bedarf.
  • Zusammenfassung
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt On-Line-Verfahren zur Bestimmung der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Schmierfluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) bereit. Hierbei bezieht sich Standardtemperatur (Tstandard) auf eine spezifizierte Temperatur, die zum Vergleichen der Eigenschaften von Fluiden in einer standardisierten Weise verwendet wird. Zum Beispiel ist es üblich, die kinematische Viskosität von industriellen Schmiermitteln immer bei Standardtemperaturen wie etwa 40°C oder 100°C anzugeben.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein On-Line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard), das die folgenden Schritte enthält: Bestimmen der absoluten Viskosität (aV) des Fluids bei einem Abschnitt A in dem System, Messen einer Eigenschaft des Fluids (P), Bestimmen einer virtuellen Temperatur (TV) des Fluids unter Verwendung der gemessenen Eigenschaft des Fluids (P), Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, und Extrapolieren der kinematischen Viskosität (kVstandard) des Fluids auf eine Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids und der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids. Die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bezieht sich auf eine effektive Fluidtemperatur, die mit den gemessenen Eigenschaften des Fluids konsistent ist – wie etwa mit Viskosität, Druck, Durchflussrate und Temperatur, die an mehreren Punkten gemessen werden. Die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids ist oft von einer tatsächlich gemessenen Temperatur verschieden, da sie Unterschiede in den Temperaturmessungen über einen Abschnitt des Systems einbezieht.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch ein On-Line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) mit den Schritten: Bestimmen der absoluten Viskosität (aV) des Fluids an einem Abschnitt A in dem System, Messen von wenigstens zwei Eigenschaften (PN) des Fluids an verschiedenen Punkten in dem System, Bestimmen der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids am Abschnitt A unter Verwendung der gemessenen wenigstens zwei Eigenschaften (PN) des Fluids mit einer Beziehung, die die wenigstens zwei Eigenschaften (PN) des Fluids mit der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids am Abschnitt A korreliert, Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, und Extrapolieren auf die kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids und der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch Verfahren zum Bestimmen der absoluten Viskosität (aV) des Fluids an einem Abschnitt A in dem System bereit, indem der Volumenstrom (F) des Schmierfluids über eine gemessene Druckdifferenz (P1 – P2) gemessen und eine geeignete Abschätzungsgleichung für die Viskosität gelöst wird, zum Beispiel die Hagen-Poiseuille-Gleichung. Hierbei bezieht sich Abschnitt A auf den Abschnitt des Systems, der die Punkte umgibt, bei denen die Eigenschaften des Fluids gemessen werden, um die absolute Viskosität (aV) des Fluids abzuschätzen. Wenn zum Beispiel die Hagen-Poiseuille-Gleichung dazu verwendet wird, um die absolute Viskosität (aV) des Fluids zu schätzen, enthält der Abschnitt A einen ersten Ort, bei dem der Druck (P1) gemessen wird, einen zweiten Ort, bei dem der Druck (P2) gemessen wird, und einen dritten Ort, an dem der Volumenstrom (F) gemessen wird.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch Verfahren zum Bestimmen der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids mit den Schritten: Charakterisieren einer Gleichung, die die Temperatur (T) mit einer Eigenschaft des Fluids (P) unter kontrollierten Laborbedingungen korreliert, Aufnehmen von wenigstens drei Messungen (Pn) der Eigenschaft des Fluids in dem System, Anwenden der charakterisierten Gleichung, die die Temperatur (T) mit der Eigenschaft des Fluids (P) korreliert, um virtuelle Temperaturwerte (TVn) des Fluids bei Abschnitt A, die den Messungen (Pn) der Eigenschaft des Fluids entsprechen, zu schätzen, Charakterisieren einer Gleichung, die die wenigstens drei Eigenschaftsmessungen (Pn) des Fluids mit ihren entsprechenden virtuellen Temperaturwerten (TVn) korreliert, und Bestimmen der virtuellen Temperatur (TVn) des Fluids bei Abschnitt A des Systems unter Verwendung einer Messung der Eigenschaft (Pn) des Fluids und der charakterisierten Gleichung, die die Eigenschaft (Pn) des Fluids mit der virtuellen Temperatur (TVn) korreliert.
  • Die vorliegende Erfindung schafft auch Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) mit den Schritten: Schätzen der Dichte (D) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A und einer Beziehung, die die Temperatur (T) des Fluids mit der Dichte (D) des Fluids korreliert, und Bestimmen der kinematischen Viskosität (kV) unter Verwendung der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, der Dichte (D) des Fluids, und einer Beziehung, die die absolute Viskosität (aV) und die Dichte (D) des Fluids mit der kinematischen Viskosität (kV) korreliert.
  • Die allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung sind beispielhaft und dienen nur zu Erklärungszwecken und schränken die Erfindung, wie sie in den angefügten Patentansprüchen definiert ist, nicht ein. Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten im Hinblick auf die detaillierte Beschreibung der Erfindung wie sie hier gegeben wird offensichtlich sein.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Zusammenfassung wie auch die folgende detaillierte Beschreibung werden noch besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Zum Zweck der Illustration der Erfindung sind in den Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt; die Erfindung ist jedoch nicht auf die spezifischen offenbarten Verfahren, Zusammenstellungen und Geräte beschränkt. Außerdem sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgerecht.
  • 1 zeigt einen Graphen einer Datensimulation, die die Größe des Einflusses demonstriert, den die Temperatur auf die Viskositätsmessung für ein Fluid mit einem Viskositätsindex von 95 hat;
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt einen Graphen der kinematischen Viskosität bei 40°C über die Zeit, wobei die Viskosität unter Verwendung der gemessenen Temperatur berechnet ist;
  • 4 zeigt einen Graphen gemessener Temperaturen, zurückgerechneter virtueller Temperaturen und vorhergesagter virtueller Temperaturen über die Zeit;
  • 5 zeigt einen Graphen der kinematischen Viskosität bei 40°C über die Zeit, wobei die Viskosität unter Verwendung der virtuellen Temperatur berechnet ist.
  • Detaillierte Beschreibung illustrativer Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung kann einfacher durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Figuren und Beispielen verstanden werden, die Teil dieser Offenbarung sind. Es ist so zu verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Geräte, Verfahren, Bedingungen oder Parameter beschränkt ist, die hier beschrieben und/oder gezeigt sind, und dass die hierin verwendete Terminologie zur Beschreibung spezieller Ausführungsformen im beispielhaften Sinne verwendet wird und es nicht beabsichtigt ist, dass sie die beanspruchte Erfindung einschränkt. Ferner umfassen die Singularformen "ein", "eine" und "der", "die", "das" wie sie in der Beschreibung einschließlich in den beigefügten Patentansprüchen verwendet werden auch die Pluralformen, und die Bezugnahme auf einen bestimmten numerischen Wert umfasst wenigstens diesen bestimmten Wert, falls sich nicht aus dem Zusammenhang klar etwas anderes ergibt. Wenn ein Wertbereich angegeben ist, umfasst eine andere Ausführungsform den anderen bestimmten Wert gegenüber dem einen bestimmten Wert. In ähnlicher Weise ist es, wenn Werte als Approximationen ausgedrückt werden, indem ein vorangehendes "etwa" verwendet wird, zu verstehen, dass der bestimmte Wert eine andere Ausführungsform bildet. Alle Bereiche sind inklusive und kombinierbar.
  • Es ist anzuerkennen, dass bestimmte Merkmale der Erfindung, die aus Klarheitsgründen hier im Zusammenhang mit separaten Ausführungsformen beschrieben werden, auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform vorgesehen sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale der Erfindung, die aus Gründen der Kürze im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch separat oder in irgendeiner Unterkombination vorgesehen sein. Ferner enthalten Bezugnahmen auf Werte, die in Bereichen angegeben sind, jeden einzelnen Wert innerhalb des Bereichs.
  • Die vorliegende Erfindung schafft Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Viskosität eines Schmierfluids in einer Prozesslinie. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umgeht die Notwendigkeit, die Temperatur des Schmierfluids in dem System genau zu regeln, wenn Viskositätsmessungen an dem Fluid vorgenommen werden.
  • System zum On-Line-Bestimmen der Viskosität eines Fluids
  • Mit Bezug auf 2 ist eine Ausführungsform des Systems 1 der vorliegenden Erfindung vorgesehen, das zum Messen verschiedener Eigenschaften des Fluids in dem System 1 verwendet werden kann. Die Viskosität des Fluids kann unter Anwendung der hierin vorgesehenen Verfahren abgeleitet werden. In einer Ausführungsform kann das System 1 eine Pumpe 2, einen ersten Druckwandler 3, einen zweiten Druckwandler 4, ein Volumenstrommessgerät 5, ein Thermoelement 6 und einen Dichtesensor 7 aufweisen. Das Durchflussmessgerät 5 ist vorzugsweise ein Rotationsdurchflussmessgerät und das Thermoelement 6 ist vorzugsweise ein isothermisches Temperaturelement. Die Pumpe 2 und die Druckwandler 3, 4 können von irgendeiner herkömmlichen Art sein. Wie in 2 gezeigt, kann das System 1 eine Pumpe 2, einen ersten Druckwandler 3, der stromabwärts der Pumpe 1 liegt, einen zweiten Druckwandler 4, der stromabwärts des er sten Druckwandlers 3 liegt, ein Durchflussmessgerät 5, das stromabwärts des zweiten Druckwandlers 4 liegt, und ein Thermoelement 6 und einen Dichtesensor 7 einsetzen, die vorzugsweise stromabwärts des ersten Druckwandlers 3 und stromaufwärts des zweiten Druckwandlers 4 liegen. Außerdem kann das System 1 einen oder mehrere Sensoren enthalten, um festzustellen, ob der Fluss des Fluids durch das System 1 laminar ist.
  • Verfahren zum On-Line-Bestimmen der Viskosität eines Fluids
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein On-Line-Verfahren in Echtzeit zum Überwachen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Fluids in dem System 1 bei einer Standardtemperatur (Tstandard) geschaffen. Gemäß einem Verfahren umfasst das Überwachen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Fluids die Charakterisierung der Eigenschaften des Fluids, das Kalibrieren des Systems 1 unter Verwendung der Charakterisierung des Fluids und das Bestimmen der kinematischen Viskosität (kVstandard) des Fluids in Echtzeit, während es kontinuierlich in dem System 1 abgebaut wird.
  • Charakterisieren der Eigenschaften des Fluids
  • In einer Ausführungsform wird das Fluid vorzugsweise unter Laborbedingungen getestet, und es werden Messungen der kinematischen Viskosität (kV) und der Dichte (Dn) bei wenigstens zwei Temperaturen (Tn) unter Verwendung von ASTM-Verfahren aufgenommen. Dann können die Eigenschaften der kinematischen Viskosität und der Dichte des Fluids mit der Temperatur korreliert werden, indem die Messwerte für die kinematische Viskosität (kVn), für die Dichte (Dn) und die Temperaturen (Tn) verwendet werden, um Koeffizienten für Gleichungen zu berechnen, die die kinematische Viskosität mit der Temperatur oder die Dichte mit der Temperatur korrelieren.
  • Die kinematische Viskosität (kV) des Fluids kann mit der Temperatur (T) des Fluids korreliert werden, indem die Koeffizienten für irgendeine mathematische Beziehung berechnet werden, die die Messwerte für die kinematische Viskosität (kVn) und für die Temperatur (Tn) des Fluids korreliert. Vorzugsweise wird die kinematische Viskosität (kV) des Fluids mit der Temperatur (T) des Fluids korreliert, indem die Koeffizienten A und B der Walther-MacCaull-Gleichung berechnet werden (Walther, C., "The Variation of Viscosity with Temperature-I, II, III, "Erdöl und Teer, Band 5, 1928, S. 510, 526, 614). Die entsprechenden Messwerte der kinematischen Viskosität (kVn) und der Temperatur (Tn), die im Labor aufgenommen wurden, können dazu verwendet werden, um das Fluid zu charakterisieren, indem nach den Koeffizienten der Walther-MacCaull-Gleichung aufgelöst wird.
  • Zum Beispiel kann ein ISO 220 Öl mit einer kinematischen Viskosität bei 40°C von kV @ 40°C = 217.2 cSt (2,172 × 10–4 m2/s) und einer kinematischen Viskosität bei 100°C von 217.2 cSt (2,172 × 10–4 m2/s) an die Walther-MacCaull-Gleichung angepasst werden: log10(log10(kVn + 0.7)) = A – B·log10(Tn)wobei kVn die kinematische Viskosität des Öls in Centistokes bei der Temperatur Tn (in Grad Kelvin) und A und B die Koeffizienten sind, die das Fluid charakterisieren. Wenn die gegebenen Messwerte für die kinematische Viskosität (kVn) und Temperatur (Tn) des Fluids dazu verwendet werden, um nach den Koeffizienten der Walther-MacCaull-Gleichung aufzulösen, ergeben sie Werte für A von etwa 8,8 und für B von etwa 3,4. Daher ist die für das ISO 220 Öl charakterisierte Walthter-MacCaull-Gleichung: log10(log10(kVn ± 0.7))= 8.8 – 3.4·log10(Tn)
  • Die Dichte (D) des Fluids kann mit der Temperatur (T) des Fluids korreliert werden, indem die Koeffizienten irgendeiner mathematischen Beziehung berechnet werden, die die Messwerte für die Dichte (Dn) und die Temperatur (Tn) des Fluids korreliert. Zum Beispiel kann eine lineare Beziehung – wie etwa Tn = a + b·Dn – dazu verwendet werden, um die Dichte (Dn) des Fluids mit der Temperatur (Tn) des Fluids zu korrelieren, wobei A und B Konstanten sind, die das Fluid charakterisieren und am besten zu den Messwerten für die Dichte (Dn) und die Temperatur (Tn) des Fluids passen.
  • Kalibrieren des Systems
  • Sobald die Eigenschaften des Fluids gemessen und charakterisiert sind, wird das Fluid durch das System 1 zirkuliert, um den Kalibrationskoeffizienten (C) des Systems 1 zu bestimmen. Das Fluid wird vorzugsweise in das System 1 eingeführt, bevor es begonnen hat, sich abzubauen, damit sichergestellt ist, dass die tatsächlichen Eigenschaften des Fluids im Wesentlichen die gleichen wie die charakterisierten Eigenschaften des Fluids sind.
  • Sobald das Fluid durch das System 1 zirkuliert wird, wird der Druck (P1n) des Fluids in dem System 1 durch den ersten Druckwandler 3 gemessen und der Druck (P2n) des Fluids weiter stromabwärts in dem System 1 durch den zweiten Druckwandler 4 gemessen. Der Volumenstrom (Fn) des Fluids in dem System 1 wird durch das Volumenstrommessgerät 5 gemessen und die Temperatur (Tn) des Fluids in dem System 1 wird durch das Thermoelement 6 gemessen. Vorzugsweise werden die Messwerte für Druck (P1n, P2n), für den Volumenstorm (Fn) und die Temperatur (Tn) kontinuierlich wenigstens zehn mal pro Stunde für ein Minimum von 10 Tagen aufgenommen. Eine mittlere Temperatur (T), ein mittlerer Druck (P1), ein mittlerer Druck (P2) und ein mittlerer Volumenstrom (F) werden für die über die 10 Tageperiode aufgenommenen Messwerte (Tn, P1n, P2n, Fn) berechnet.
  • Unter Verwendung der mittleren Temperatur (T) und der Walther-MacCaull-Gleichung, die für das Fluid bereits mit den Koeffizienten A und B charakterisiert ist, kann eine mit der mittleren Temperatur (T) korrelierte kinematische Viskosität (kV) berechnet werden. Auch kann, unter Verwendung der mittleren Temperatur (T) und der Dichtegleichung, die bereits für das Fluid mit dem Koeffizienten A und B charakterisiert ist, eine Dichte (D) berechnet werden, die mit der mittleren Temperatur (T) korreliert ist. Dann können die berechnet kinematische Viskosität (kV) und die berechnete Dichte (D) dazu verwendet werden, um die der mittleren Temperatur (T) entsprechende absolute Viskosität (aV) zu berechnen. Zum Beispiel kann die absolute Viskosität (aV) durch Benutzung der bekannten Beziehung: aV = kV·D geschätzt werden, wobei aV die absolute Viskosität des Fluids, kV die kinematische Viskosität des Fluids und D die Dichte des Fluids ist.
  • Dann können die Mittelwerte des Druckes (P1), des Druckes (P2), des Volumenstromes (F) und die absolute Viskosität (aV) dazu verwendet werden, um die Hagen-Poiseuille-Gleichung zu lösen und den Kalibrationskoeffizienten (C) zu bestimmen. Vorzugsweise wird die Hagen-Poiseuille-Gleichung dargestellt als: C = aV·F/(P1 – P2). Der Kalibrationskoeffizient (C) des Systems 1 kompensiert Temperaturdifferenzen in dem Fluid und Rohrabmessungs- und -geometriedifferenzen bei verschiedenen Punkten in dem System 1, die die On-Line-Messung der Fluidviskosität beeinflussen.
  • On-Line-Bestimmung der Fluidviskosität
  • Unter Verwendung der charakterisierten Eigenschaften des Fluids und des Kalibrationskoeffizienten (C) des Systems 1 kann die Fluidviskosität kontinuierlich in Echtzeit bestimmt werden, während das Fluid in dem System abgebaut wird. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft On-Line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines Schmierfluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard). Hierbei bezieht sich die Standardtemperatur (Tstandard) auf eine spezifizierte Temperatur, die dazu verwendet wird, um die Fluideigenschaften in einer standardisierten Weise zu vergleichen. Zum Beispiel ist es üblich, die kinematische Viskosität (kVstandard) von industriellen Schmiermitteln bei Standardtemperaturen (Tstandard) wie etwa 40°C oder 100°C anzugeben.
  • Gemäß einem Verfahren umfassst das Bestimmen der kinematischen Viskosität (kVstandard) des Fluids in dem System 1: Bestimmen der absoluten Viskosität (aV) des Fluids bei einem Abschnitt A in dem System 1, Messen einer Eigenschaft des Fluids (P) in diesem System 1, Bestimmen einer virtuellen Temperatur (TV) des Fluids unter Verwendung der gemessenen Fluideigenschaft (P), Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, und Extrapolieren auf die kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids und der virtuellen (TV) des Fluids.
  • Vorzugsweise wird die absolute Viskosität (aV) des Fluids bei einem Abschnitt A in dem System 1 bestimmt, indem der Volumenstrom (F) des Fluids über eine gemessene Druckdifferenz (P1 – P2) gemessen wird und eine geeignete Viskositätsabschätzungsgleichung gelöst wird. Hierbei bezieht sich der Abschnitt A auf den Abschnitt des Systems 1, der die Punkte umgibt, bei denen die Eigenschaften des Fluids gemessen werden, um die absolute Viskosität (aV) des Fluids zu schätzen. Zum Beispiel ist bei Bezug auf 2 der Abschnitt A derjenige Abschnitt des Systems 1, der den ersten Ort, bei dem der Druck (P1) gemessen wird, den zweiten Ort, bei dem der Druck (P2) gemessen wird, und den Ort umfasst, bei dem der Volumenstrom gemessen wird. Die Viskositätsschätzungsgleichung kann irgendeine Gleichung sein, die die beobachteten Eigenschaften des Fluids mit der absoluten Viskosität (aV) des Fluids korreliert, aber ist vorzugsweise die Hagen-Poiseuille-Gleichung.
  • Die Hagen-Poiseuille-Gleichung kann zum Beispiel dargestellt werden als: aV = (P1 – P2)·C/F, wobei aV die absolute Viskosität des Fluids, P1 der Druck des Fluids an dem ersten Ort in dem System 1, P2 der Druck des Fluids an dem zweiten Ort in dem System 1 stromabwärts von dem ersten Ort, C der Kalibrationskoeffizient des Systems 1 und F der Volumenstrom des Fluids durch das System 1 ist. Daher kann die absolute Viskosität (aV) des Fluids bestimmt werden, indem die Hagen-Poiseuille-Gleichung – aV = (P1 – P)·C/F – gelöst wird, mit der Druckmessung (P1) gemessen durch den ersten Druckwandler 3, der Druckmessung (P2) gemessen durch den zweiten Druckwandler 4, der Volumenstrommessung (F) gemessen durch das Volumenstrommessgerät 5 und dem Kalibrationskoeffizienten (C), der für das Systems 1 bestimmt worden ist. Vorzugsweise werden die Bestimmungen der absoluten Viskosität (aVn) des Fluids in dem System 1 kontinuierlich wenigstens zehn mal pro Stunde und für wenigstens 10 Tage vorgenommen.
  • Auch die Messungen einer Fluideigenschaft (Pn) in dem System 1 werden vorzugsweise kontinuierlich wenigstens zehn mal pro Stunde und wenigstens über 10 Tage genommen. Die Eigenschaft des Fluids (P) kann irgendeine Eigenschaft des Fluids sein, die mit der tatsächlichen Temperatur des Fluids, bei dem die Viskosität gemessen wird, korreliert ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz, Viskosität und eine andere Fuidtemperatur. Alternativ kann die Eigenschaft des Fluids (P) irgendeine mathematisch funktionale Kombination von Eigenschaften des Fluids sein, die mit der tatsächlichen Temperatur des Fluids, bei dem die Viskosität gemessen wird, korreliert sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz, Viskosität und eine andere Temperatur. Die Eigenschaft des Fluids (P) ist jedoch vorzugsweise eine andere Temperatur (T) des Fluids in dem System 1. Ferner kann die Eigenschaft des Fluids (P) mittels eines Sensors, mehrerer Sensoren oder einer Kombination von Sensoren in dem System 1 (gezeigt als Thermoelement 6 in 2) gemessen werden. Beispielsweise kann die Eigenschaft des Fuids (P) das Mittel von mehreren Temperaturmessungen (Tn) sein.
  • In einer Ausführungsform können die kontinuierlichen Bestimmungen der absoluten Viskosität (aVn) und die Messungen einer Fluideigenschaft (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) dazu verwendet werden, um die virtuelle Temperatur (TVn) des Fluids in dem System 1 zu bestimmen. Die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bezieht sich auf eine effektive Temperatur des Fluids, bei dem die Viskosität gemessen wird, wobei die virtuelle Temperatur konsistent ist mit den gemessenen Eigenschaften des Fluids – wie etwa Viskosität, Druck, Volumenstrom oder eine andere Fluidtemperatur. Oft ist die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids verschieden von irgendeiner gemessenen Temperatur (T) des Fluids, weil sie die Unterschiede in den Fluidtemperaturmessungen (Tn) über einen Abschnitt des Systems 1 berücksichtigt.
  • Eine virtuelle Temperatur (TVn) kann bestimmt werden, indem sie mit einer Messung einer Eigenschaft des Fluids (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) korreliert wird. Eine Gleichung, die die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids mit einer Fluideigenschaft (P) (zum Beispiel Temperatur (T)) korreliert, kann durch Durchführung einer Regression an virtuellen Temperaturwerten (TVn) und Fluideigenschaftsmessungen (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) in dem System 1 erhalten werden. Eine Regression kann irgendeiner Analyse von empirischen Daten zur Bestimmung einer funktionellen Beziehung zwischen zwei oder mehr korrelierten Variablen sein.
  • In einer Ausführungsform werden die virtuellen Temperaturwerte (TVn) der Regression bestimmt, indem die kontinuierlichen Bestimmungen der absoluten Viskosität (aVn) des Fluids mit virtuellen Temperaturwerten (TVn) des Fluids unter Verwendung der Gleichungen der Dichte und der kinematischen Viskosität charakterisiert für das Fluid korreliert werden. Zuerst können beispielsweise Dichtewerte (Dn) entsprechend der kontinuierlich gemessenen Fluideigenschaft (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) unter Verwendung der Dichtegleichung charakterisiert für das Fluid (zum Beispiel Tn = a + b·Dn) bestimmt werden. Dann können unter Verwendung dieser Dichtewerte (Dn) und der bekannten Beziehung: kVn = aVn/Dn die absoluten Viskositätsmessungen (aVn) des Fluids mit den entsprechenden kinematischen Viskositätswerten (kV) korreliert werden. Für jeden bestimmten kinematischen Viskositätswert (kV) entsprechend den kontinuierlichen absoluten Viskositätsbestimmungen (aVn) und den Fluideigenschaftsmessungen (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) wird ein virtueller Temperaturwert (TVn) unter Verwendung der kinematischen Viskositätsgleichung (zum Beispiel Walther-MacCaull-Gleichung), die für das Fluid charakterisiert ist, berechnet. So können die virtuellen Temperaturwerte (TVn) für die Regression der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids in einer Eigenschaft des Fluids (P) (zum Beispiel Temperatur (T)) bestimmt werden.
  • Sobald die kontinuierlichen Messungen der Fluideigenschaft (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) und die entsprechenden virtuellen Temperaturwerte (TVn) des Fluids gesammelt sind, kann eine Regression an dem Datensatz durchgeführt werden, um eine Beziehung zu bestimmen, die die Fluideigenschaftsmessungen (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) mit den virtuellen Temperaturwerten (TVn) korreliert. Die Beziehung, die die empirischen Datenpunkte (Pn) und (TVn) korreliert kann irgendeine konventionelle mathematische Beziehung sein. Zum Beispiel kann eine lineare Beziehung – wie etwa TVn = a + b·Pn, wobei a und b Konstanten sind, die am besten zu den empirischen Datenpunkten (Pn) und (TVn) passen – dazu verwendet werden, um die Fluideigenschaft (P) (zum Beispiel Temperatur (T)) und die virtuelle Temperatur des Fluids (TV) miteinander zu korrelieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann, nachdem das Fluid durch das System 1 geflossen ist und die absoluten Viskositätsbestimmungen (aVn) und die Fluideigenschaftsmessungen (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) kontinuierlich wenigstens zehn mal pro Stunde für wenigstens 10 Tage durchgeführt worden sind, eine On-Line-Bestimmung der kinematischen Viskosität (KVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) durchgeführt werden.
  • Eine gegebene Bestimmung der absoluten Viskosität (aVn) des Fluids und eine entsprechende Messung (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) kann dazu verwendet werden, um die kinematische Viskosität (kV) des Fluids zu bestimmen. Zum Beispiel kann ein Dichtewert (Dn) entsprechend der Fluideigenschaft (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) unter Verwendung der bereits charakterisierten (angepassten) Dichtegleichung für das Fluid (zum Beispiel Tn = a + b·Dn) bestimmt werden. Dann kann unter Verwendung dieses Dichtewertes (Dn) und der bekannten Beziehung: kVn = aVn/Dn die Bestimmung der absoluten Viskosität (aVn) des Fluids mit einem entsprechenden kinematischen Viskositätswert (kVn) korreliert werden.
  • Sobald die kinematische Viskosität (kV) des Fluids bestimmt ist, kann sie auf eine kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) extrapoliert werden, indem vorzugweise eine virtuelle Temperatur (TVn) des Fluids und die wohlbekannte Walther-MacCaull-Gleichung verwendet wird. Eine virtuelle Temperatur (TVn) entsprechend der Fluideigenschaft (Pn) (zum Beispiel Temperatur (Tn)) kann unter Verwendung der bereits für das Fluid charakterisierten virtuellen Temperaturgleichung (zum Beispiel TVn = a + b·Pn) be stimmt werden. Dann kann die virtuelle Temperatur (TVn) mit der Walther-MacCaull-Gleichung, deren das fluidcharakterisierenden Koeffizienten A und B bereits bestimmt sind, verwendet werden (d. h. log10(log10(kVn + 0.7)) = A – B·log10(TVn)). Eine On-Line durchgeführte Messung der kinematischen Viskosität (kVn) kann auf eine kinematische Viskosität (kVstandard) bei einer Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der Walther-MacCaull-Gleichung wie folgt extrapoliert werden:
    Figure 00180001
    wobei A und B die zur Charakterisierung des Fluids bestimmten Koeffizienten sind. Um zum Beispiel eine On-Line-Messung der kinematischen Viskosität (kVn) auf eine kinematische Viskosität (kVstandard) bei einer Standardtemperatur (Tstandard) von 40°C = 313,15 K zu extrapolieren, lautet die Gleichung
    Figure 00180002
  • Die kinematische Viskosität (kVstandard) bei einer festen Standardtemperatur (Tstandard) (zum Beispiel 40°C) ist als Funktion der Zeit typischerweise konstant, wenn sich die Fluidzusammensetzung nicht ändert. Wenn sich die Fluidzusammensetzung langsam ändert, beeinträchtigt für kleine Fluidveränderungen (zum Beispiel Abbau) das –B (Steigung) typischerweise nicht den Veränderungsdetektionsprozess. Die kinematische Viskosität (kVstandard) bei einer festen Standardtemperatur (Tstandard) (zum Beispiel 40°C) als Funktion eines gegebenen Messpaars (kVn, TVn) kann aus der umgestellten Walther-Gleichung berechnet werden: log10(log10(kVstandard + 0.7) = log10(log10(kVn + 0.7)) – B(log10) – log10(Tstandard))oder
    Figure 00190001
  • Wobei kVn eine On-Line-bestimmte kinematische Viskosität des Fluids ist, Tactual die Fluidtemperatur an dem Punkt ist, bei dem die Viskosität gemessen wird, und B ein für das Fluid wie oben beschrieben spezifischer Koeffizient ist.
  • Die Walther-MacCaull-Gleichung verwendet die Fluidtemperatur im System 1 an dem Punkt, bei dem die Fluidviskosität gemessen wird. Die Temperatur am Punkt der Viskositätsmessung kann jedoch schwer zu messen sein. Ferner wird in dem beispielhaft in 2 dargestellten System 1 die Viskosität nicht tatsächlich gemessen, sondern wird eher mit der Hagen-Poiseuille-Gleichung unter Verwendung von anderen gemessenen Fluideigenschaften (zum Beispiel Volumenstrom, Druck und dergleichen) an verschiedenen Punkten in dem System 1 approximiert. In der Ausführungsform von 2 gibt es keinen tatsächlichen Punkt der Viskositätsmessung, bei dem eine Temperatur gemessen werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die virtuelle Temperatur (TVn) des Fluids verwendet, um die kinematische Viskosität (kVstandard) bei einer festen Standardtemperatur (Tstandard) zu bestimmen, anstatt der Fluidtemperatur an dem Punkt, bei dem die Viskosität des Fluid gemessen wird. Daher lautet die Walther-MacCaull-Gleichung, die zur Bestimmung der kinematischen Viskosität (kVstandard) bei einer festen Standardtemperatur (Tstandard) verwendet wird:
    Figure 00190002
  • Vorzugsweise wird die kinematische Viskosität des Fluids (kVstandard) bei einer Standardtemperatur (Tstandard) kontinuierlich in Echtzeit bestimmt, um den Grad des Fluidabbaus im System 1 zu überwachen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung können, wenn die kontinuierlichen Fluideigenschaftsmessungen (Pn) Fluidtemperaturmessungen (Tn) sind, die Fluidtemperaturmessungen (Tn) dazu verwendet werden, um die Koeffizienten (A und B, a und b) der kinematischen Viskositätsgleichung (zum Beispiel Walther-MacCaull-Gleichung) und der Dichtegleichung, die das Fluid charakterisieren, zu aktualisieren. Wenn das Fluid in dem System 1 abgebaut wird, können sich die Werte dieser Koeffizienten (A und B, a und b) verändern. Es kann auch notwendig sein, diese Koeffizienten zu aktualisieren, so dass die Bestimmungen der Fluidviskosität sich auf Fluktuationen in den Betriebsbedingungen des Systems 1 einstellen. Zum Beispiel kann die Schwelle für die Aktualisierung der Koeffizienten eine Veränderung von 5°C zwischen Temperaturmessungen (Tn) sein. Dann können neue Temperaturmessungen (Tn) und entsprechende absolute Viskositätsbestimmungen (aVn) wenigstens zehn mal pro Stunde für wenigstens 12 Stunden gesammelt werden, um die Koeffizienten (A und B, a und b) der kinematischen Viskositätsgleichung (zum Beispiel Walther-MacCaull-Gleichung) und der Dichtegleichung, die das Fluid charakterisieren, zu aktualisieren. Neue Koeffizienten (A und B, a und b) der kinematischen Viskositätsgleichung (zum Beispiel Walther-MacCaull-Gleichung) und der Dichtegleichung können in derselben Weise wie oben beschrieben bestimmt werden. Auf diese Weise können genauere Bestimmungen der kinematischen Fluidviskosität (kVstandard) bei einer Standardtemperatur (Tstandard) erreicht werden.
  • Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung können auch Sensoren in das System 1 eingebaut werden, um laminare und turbulente Strömungszustände zu erfassen und zu signalisieren. Wenn Sensoren in dem System 1 zum Beispiel feststellen, dass die Strömung des Fluids durch das System 1 laminar ist, dann würde zugelassen werden, dass das Verfahren der Bestimmung der Viskosität der vorliegenden Erfindung weiter fortgeführt wird. Wenn die Sensoren des Systems 1 jedoch feststellen, dass die Fluidströmung durch das System 1 turbulent ist, dann würde die Viskositätsbestimmung unterbrochen, bis wieder laminare Strömungsbedingungen erfasst und an einen geeigneten Datenprozessor (nicht gezeigt in 2) gemeldet worden sind.
  • Gemäß einem anderen Verfahren kann das Bestimmen der kinematischen Viskosität (kVstandard) bei einer Standardtemperatur (Tstandard) die Messung von wenigstens zwei Fluideigenschaften (Pi, Pii) in dem System 1 anstelle nur einer Fluideigenschaft (P) beinhalten. Ferner wird die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids unter Verwendung der Messungen der wenigstens zwei Fluideigenschaften ((Pin, Piin)) bestimmt.
  • Die Fluideigenschaften (Pi, Pii) können irgendwelche Eigenschaften des Fluids sein, die mit der Temperatur des Fluids korreliert sind, bei der die Fluidviskosität gemessen wird, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz, Viskosität, und eine andere Fluidtemperatur. In einer Ausführungsform können die Fluideigenschaften (Pi, Pii) mehrere Fluidtemperaturen gemessen an verschiedenen Punkten in dem System 1 sein. Die Fluideigenschaften (Pi, Pii) können bei verschiedenen Punkten in dem System 1 gemessen werden und können durch einen Sensor, mehrere Sensoren oder eine Kombination von Sensoren gemessen werden. Vorzugsweise werden die Messungen der Fluideigenschaften (Pin, Piin) kontinuierlich wenigstens 10 mal pro Stunde und für wenigstens zehn Tage aufgenommen.
  • Dann kann eine virtuelle Temperatur (TVn) bestimmt werden, indem sie mit Messungen der Fluideigenschaften (Pin, Piin) in dem System 1 korreliert werden. Eine Gleichung, die die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids mit den Fluideigenschaften (Pin, Piin) korreliert, kann erhalten werden, indem eine Regression an den virtuellen Temperaturwerten (TVn) und den Messungen der Fluideigenschaften (Pin, Piin) in dem System 1 durchgeführt wird. Die virtuellen Temperaturwerte (TVn) der Regression könn ne wie in den Ausführungsformen oben beschrieben erhalten werden.
  • Sobald kontinuierlich Messungen der Fluideigenschaften (Pin, Piin) und entsprechende virtuelle Temperaturwerte (TVn) des Fluids gesammelt sind, kann eine Regression auf dem Datensatz durchgeführt werden, um eine Beziehung zu bestimmen, die die Messungen der Fluideigenschaften (Pin, Piin) mit den virtuellen Temperaturwerten (TVn) korreliert. Die die empirischen Datenpunkte (Pin, Piin) und (TVn) korrelierende Beziehung kann irgendeine konventionelle mathematische Beziehung sein.
  • Beispiel
  • Um die Schwierigkeiten bei der Bestimmung der kinematischen Viskosität unter Verwendung von gemessenen Temperaturwerten zu illustrieren, wurde die kinematische Viskosität des Fluids (kVstandard) für eine Reihe von kVn, Tn Paaren mit der folgenden Prozedur berechnet. Es wurde eine Probe eines in einem kontinuierlichen System zirkulierenden Fluids genommen und unter Laborbedingungen dahingehend charakterisiert, dass es eine kinematische Viskosität bei 100°C von 18,79 cSt (18,79 × 10–6 m2/s), eine kinematische Viskosität bei 40°C von 217,2 cSt (217,2 × 10–6 m2/s) und eine Dichte bei 60°F von 0,890 g/ml (0,890 × 103 kg/m3). Die Walther-MacCaull-Gleichung wurde mit diesen Viskositätswerten angepasst, um die konstanten A und B zu erhalten: A = 8,8387 und B = –3,3937. Es wurde eine Periode relativer Temperaturstabilität ausgewählt, um einen appoximierten Wert des Fließwiderstandes der Rohre des Zirkulationssystems zu erhalten. Unter Anwendung der Hagen-Poiseuille-Gleichung aV = (P1 – P2)·C/F, bei einer mittleren Fluidtemperatur von 56,13°C wurde ein Wert für (P1 – P2)/F von etwa 3 approximiert, was einen approximierten Wert für den Kalibrationskoeffizienten (C) von etwa 31 ergab. Unter Anwendung dieser Konstanten in der Hagen-Poiseuille-Gleichung wurde die absolu te Viskosität (aVn) für eine Periode von 30 Tagen On-Line berechnet und die kinematische Viskosität (kVn) wurde durch Dividieren der absoluten Viskosität (aVn) durch die Dichte (Dn) des Fluids approximiert. Die kinematische Viskosität (kV) wurde dann auf die kinematische Viskosität (kVstandard) bei 40°C (Tstandard) unter Verwendung der folgenden Gleichung extrapoliert:
    Figure 00230001
  • Wie durch den Graphen in 3 gezeigt ergab diese Prozedur eine unbefriedigende Standardabweichung von 9,34 cSt, was aber vernünftig ist, wenn man die Schwierigkeiten bei der Temperaturmessung (Tn) zusätzlich zu der Zusammenwirkung aller Messfehler (zum Beispiel bei Volumenstrom, Druck, Temperatur) bedenkt.
  • Die virtuelle Temperatur (TVn) wurde dann verwendet, um die kinematische Viskosität (kVstandard) bei 40°C (Tstandard) über die gesamte Periode von 30 Tagen in einer sehr ähnlichen Weise wie der oben beschriebenen Prozedur zu schätzen.
  • Zunächst wurde eine Funktion der virtuellen Temperatur (TV) durch Rückrechnung einer Folge von virtuellen Temperaturwerten (TVn) aus einer Reihe von gemessenen absoluten Viskositätswerten (aVn) erhalten, so dass die virtuellen Temperaturwerte (TVn) diejenigen Temperaturen repräsentieren, die die gemessenen absoluten Viskositätswerte (aVn) ergeben würden:
    Figure 00230002
  • Dann wurde die Funktion TVn = a + b·Tn durch eine einfache lineare Regression der virtuellen Temperaturwerte (TVn) und der gemessenen Temperaturwerte (Tn) erhalten.
  • Dann wurde die lineare Funktion TVn = a + b·Tn verwendet, um die kinematische Viskosität (kVstandard) bei 40°C (Tstandard) zu schätzen. Eine Periode von einem Tag (zwischen Tag 1 und Tag 2) wurde verwendet, um die Koeffizienten der virtuellen Temperaturgleichung unter Abdeckung eines Temperaturbereichs (zum Beispiel 46°C bis 62°C) zu schätzen, der ausreichend ist, um die Konstanten a und b für die Regression zu erzeugen. 4 zeigt die tatsächlich gemessenen Temperaturen (Tn), die aus den kinematischen Viskositätsbestimmungen (kVn) zurückgerechneten virtuellen Temperaturwerte (TVn) und die vorhergesagten virtuellen Temperaturwerte (TVn), die unter Verwendung der oben definierten virtuellen Temperaturfunktionen erhalten wurden. Wie gezeigt folgten die vorhergesagten virtuellen Temperaturwerte (TVn) den zurückgerechneten virtuellen Temperaturwerten (TVn) viel besser als die tatsächlich gemessenen Temperaturen (Tn). Für diese besonderen Beispiele waren die Koeffizienten für die Gleichung TVn = a + b·Tn: a = –4,4129, = 1,0804.
  • Wie durch den Graphen in 5 gezeigt wird, führte diese Schätzung der virtuellen Viskositätstemperatur zu einer 20% Verbesserung der Standardabweichung der Vorhersagen und zu einer Reduktion eines systematischen Fehlers über die Periode von 30 Tagen (Standardabweichung = 9,35 cSt, systematische Abweichung = –3,15 cSt mit gemessener Temperatur; Standardabweichung = 7,52 cSt, systematische Abweichung = 0,81 cSt mit der virtuellen Temperatur).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Walther, C., "The Variation of Viscosity with Temperature-I, II, III, "Erdöl und Teer, Band 5, 1928, S. 510, 526, 614 [0026]

Claims (20)

  1. On-line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines durch ein System fließenden Fluids, bei dem: Eine absolute Viskosität (aV) des Fluids an einem Abschnitt A in dem System bestimmt wird, eine Eigenschaft des Fluids (P) in dem System gemessen wird, eine virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der gemessenen Eigenschaft des Fluids (P) mit einer Beziehung, die die Eigenschaft des Fluids (P) mit der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A korreliert, bestimmt wird, eine kinematische Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids bei Abschnitt A geschätzt wird, und auf die kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids, der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids und einer Beziehung extrapoliert wird, die die Fluidtemperatur mit der kinematischen Viskosität des Fluids korreliert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Bestimmen der absoluten Viskosität (aV) ein Druck (P1) des Fluids an einem ersten Ort in einem System bestimmt wird, ein Druck (P2) des Fluids an einem zweiten Ort in dem System stromabwärts von dem ersten Ort bestimmt wird, der Volumenstrom (F) des Fluids durch das System bestimmt wird, ein Kalibrationskoeffizient (C) des Systems bestimmt wird, und aV unter Verwendung des Hagen-Poiseuille-Gesetzes bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Hagen-Poiseuille-Gesetz durch die Gleichung: aV = (P1 – P2)·C/F repräsentiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen des Druckes (P1) beinhaltet, Druckmessungen des Fluids an dem ersten Ort in dem System über eine Periode aufzunehmen, die einen Bereich von Fluidtemperaturen hat, und eine mittlere Druckmessung zu erhalten, das Bestimmen des Druckes (P2) beinhaltet, Druckmessungen des Fluids am zweiten Ort in dem System über die Periode aufzunehmen und eine mittlere Druckmessung zu erhalten, das Bestimmen des Volumenstroms (F) beinhaltet, Volumenstrommessungen des Fluids durch das System über die Periode aufzunehmen und eine mittlere Volumenstrommessung zu erhalten, und das Bestimmen des Kalibrationskoeffizienten (C) beinhaltet die Temperatur (T) des Fluids in dem System zu messen, eine absolute Viskosität (aVn) des Fluids entsprechend der gemessenen Temperatur (T) des Fluids unter Verwendung einer Beziehung zu identifizieren, die die absolute Viskosität des Fluids mit der Fluidtemperatur korreliert, und C unter Verwendung der Beziehung: C = aVn·F/(P1 – P2) zu bestimmen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A beinhaltet, eine Beziehung zu charakterisieren, die die Temperatur und die Fluideigenschaft unter kontrollierten Laborbedingungen korreliert, wenigstens drei Messungen (Pn) der Fluideigenschaft in dem System zu nehmen, die einen Betriebsfluidtemperaturbereich für das System überdecken, die virtuellen Temperaturwerte (TVn) des Fluids bei Abschnitt A zu schätzen, die den Messungen (Pn) der Fluideigenschaft in dem System entsprechen, indem die charakterisierte Beziehung verwendet wird, die die Temperatur und die Fluideigenschaft korreliert, eine Beziehung, die die Fluideigenschaft und die virtuelle Temperatur des Fluids korreliert, unter Verwendung der wenigstens drei Eigenschaftsmessungen (Pn) und entsprechen den virtuellen Temperaturwerten (TVn) zu charakterisieren, und die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A des Systems unter Verwendung der gemessenen Fluideigenschaft (P) und der charakterisierten Beziehung bestimmt wird, die die Fluideigenschaft und die virtuelle Temperatur des Fluids korreliert.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A beinhaltet, eine Beziehung zu charakterisieren, die die Temperatur und die Fluideigenschaft unter kontrollierten Laborbedingungen korreliert, wenigstens drei Messungen (Pn) der Fluideigenschaft in dem System aufzunehmen, die einen Fluidarbeitstemperaturbereich für das System überspannen, virtuelle Temperaturwerte (TVn) des Fluids bei Abschnitt A entsprechend den Messungen (Pn) der Fluideigenschaft in dem System unter Verwendung der charakterisierten Beziehung zwischen der Fluideigenschaft und der Fluidtemperatur zu schätzen, lineare Regressionskoeffizienten a und b für die Beziehung: TVn = a + b·Pn zu schätzen, die am besten zu den wenigstens drei entsprechenden Eigenschaftsmessungen (Pn) und Temperaturwerten (TVn) passen, und die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A des Systems aus der Beziehung: TV = a + b·P zu bestimmen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Fluideigenschaft (P) in dem System eine aus einer Gruppe von Eigenschaften ist, die mit der Temperatur des Fluids korreliert sind, einschließlich, aber nicht begrenzt auf: Leitfähigkeit, Impedanz und Viskosität.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Fluideigenschaft (P) in dem System eine mathematische funktionale Kombination von zwei oder mehr Eigenschaften aus einer Gruppe von Eigenschaften umfasst, die mit der Fluidtemperatur korreliert sind, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz, Viskosität und Temperatur.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beziehung, die die Fluidtemperatur mit der kinematischen Viskosität des Fluids korreliert, die Walther-MacCaull-Gleichung ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) beinhaltet, eine Dichte (D) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A und einer Beziehung zu schätzen, die die Fluidtemperatur mit der Fluiddichte korreliert, und kV unter Verwendung der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, der Dichte (D) des Fluids und einer Beziehung zu bestimmen, die die absolute Viskosität und die Dichte des Fluids mit der kinematischen Viskosität des Fluids korreliert.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) beinhaltet, eine Dichte (D) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A und einer charakterisierten Beziehung zu schätzen, die die Dichte und die Temperatur des Fluids korreliert, und kV aus der Beziehung: kV = aV/D zu bestimmen.
  12. On-line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines durch ein System fließenden Fluids, bei dem eine absolute Viskosität (aV) des Fluids bei einem Abschnitt A in dem System bestimmt wird, eine Temperatur (T) des Fluids in dem System gemessen wird, eine virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der gemessenen Temperatur (T) mit einer Beziehung bestimmt wird, die die Temperatur (TB) des Fluids bei Punkt B mit der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A korreliert, die kinematische Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids bei Abschnitt A geschätzt wird, und au die kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) unter Verwendung der kinematischen Viskosität (kV) des Fluids, der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids und einer Beziehung extrapoliert wird, die die Fluidtemperatur mit der kinematischen Viskosität des Fluids korreliert.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A beinhaltet, eine Beziehung, die die kinematische Viskosität und die Temperatur des Fluids korreliert, und eine Beziehung zu charakterisieren, die die Dichte und die Temperatur des Fluids korreliert, indem wenigstens zwei korrespondierende Sätze von Werten der kinematischen Viskosität, Dichte und Temperatur unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen werden, und Gleichungen für die Extrapolation der kinematischen Viskosität oder für die Dichte zu verwenden, wenigstens drei entsprechende Paare von Werten für absolute Viskosität (aVn) des Fluids bei Abschnitt A in dem System und der Temperatur (Tn) des Fluids in dem System zu messen, die einen Betriebstemperaturbereich für das System überspannen, kinematische Viskositätswerte (kVn) zu schätzen, die den absoluten Viskositätswerten (aVn) des Fluids bei Abschnitt A in dem System entsprechen, indem entsprechende Dichtewerte (Dn) des Fluids unter Verwendung der gemessenen Temperaturwerte (Tn) des Fluids in dem System und der charakterisierten Dichte/Temperatur-Beziehung des Fluids approximiert werden, und die kinematische Viskositätswerte (kVn) aus der Beziehung: kVn = aVn/Dn geschätzt wird, entsprechende virtuelle Temperaturwerte (TVn) des Fluids bei Abschnitt A aus den geschätzten kinematischen Viskositätswerten (kVn) geschätzt werden indem die charakteri sierte Beziehung zwischen kinematischer Viskosität und Temperatur des Fluids benutzt wird, lineare Regressionskoeffizienten a und b für die Beziehung: TVn = a + b·Tn zu schätzen, die am besten zu den drei entsprechenden Sätzen von Temperaturwerten (TVn) und (Tn) passen, und die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A des Systems aus der Beziehung TV = a + b·T zu bestimmen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A des Systems beinhaltet, eine Beziehung, die die kinematische Viskosität und die Temperatur des Fluids korreliert, und eine Beziehung zu charakterisieren, die die Dichte und die Temperatur des Fluids korreliert, indem wenigstens zwei entsprechende Sätze von Werten für die kinematische Viskosität, Dichte und die Temperatur unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen werden und Gleichungen für die Extrapolation der kinematischen Viskosität oder Dichte verwendet werden, wenigstens drei entsprechende Sätze von Werten für die absolute Viskosität (aVn) des Fluids bei Abschnitt A in dem System, für die Temperatur (Tn) des Fluids in dem System und für wenigstens eine andere Eigenschaft (Pn) des Fluids in dem System zu messen, die einen praktischen Temperaturbereich für das System überspannen, kinematische Viskositätswerte (kVn) entsprechend den absoluten Viskositätswerten (aVn) des Fluids bei Abschnitt A in dem System geschätzt werden, indem entsprechende Dichtewerte (Dn) des Fluids approximiert werden, indem die Temperaturwerte (Tn) des Fluids in dem System und die charakterisierte Beziehung benutzt wird, die die Dichte und die Temperatur des Fluids korreliert, und die kinematischen Viskositätswerte (kVn) aus der Beziehung: kVn = aVn/Dn geschätzt werden, virtuelle Temperaturwerte (TVn) des Fluids bei Abschnitt A aus den geschätzten kinematischen Viskositätswerten (kV) zu schätzen, indem die charakterisierte Beziehung zwischen kinematischer Viskosität und Temperatur des Fluids verwendet wird, die linearen Regressionskoeffizienten a und b für die Beziehung: TVn = a + b·Pn zu schätzen, die am besten zu den drei entsprechenden Sätzen von Temperaturwerten (TVn) und Eigenschaftswerten (Pn) passen, die wenigstens eigene Fluideigenschaft (P) in dem System zu messen, und die virtuelle Temperatur (TV ) des Fluids bei Abschnitt A des Systems aus der Beziehung: TV = a + b·P zu bestimmen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die wenigstens eine andere Fluideigenschaft wenigstens eine aus einer Gruppe von Eigenschaften ist, die mit der Temperatur des Fluids korrelieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz und Viskosität.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die wenigstens eine andere Fluideigenschaft eine mathematisch funktionelle Kom bination von zwei oder mehr Eigenschaften aus einer Gruppe von Eigenschaften umfasst, die mit der Temperatur des Fluids korrelieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Leitfähigkeit, Impedanz, Viskosität und Temperatur.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Beziehung, die die kinematische Viskosität des Fluids mit der Fluidtemperatur korreliert, die Walther-MacCaull-Gleichung ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der kinematischen Viskosität (kV) beinhaltet, eine Dichte (D) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A und einer Dichte/Temperatur-Beziehung für das Fluid zu schätzen, und kV aus einer Beziehung unter Verwendung der absoluten Viskosität (aV) des Fluids, der Dichte (D) des Fluids und einer Beziehung zwischen der kinematischen Viskosität, der absoluten Viskosität und der Dichte des Fluids zu bestimmen.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der kinematischen Viskosität beinhaltet, eine Dichte (D) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A und einer kalibrierten Dichte/Temperatur-Tabelle für das Fluid zu schätzen, und kV aus der Beziehung: kV = aV/D zu bestimmen.
  20. On-Line-Verfahren zum Schätzen der kinematischen Viskosität (kVstandard) eines durch ein System fließenden Fluids, bei dem eine absolute Viskosität (aV) des Fluids bei einem Abschnitt A in dem System bestimmt wird, wenigstens zwei Fluideigenschaften (Pi, Pii) an verschiedenen Punkten in dem System gemessen werden, eine virtuelle Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A unter Verwendung der gemessenen wenigstens zwei Fluideigenschaften (Pi, Pii) mit einer Beziehung bestimmt wird, die die wenigstens zwei Fluideigenschaften (Pi, Pii) mit der virtuellen Temperatur (TV) des Fluids bei Abschnitt A korreliert, die kinematische Viskosität (kV) des Fluids aus der absoluten Viskosität (aV) des Fluids bei Abschnitt A geschätzt wird, und auf die kinematische Viskosität (kVstandard) des Fluids bei einer Standardtemperatur (Tstandard) extrapoliert wird, indem die kinematische Viskosität (kV) des Fluids, die virtuelle Temperatur (TV) des Fluids und eine Beziehung verwendet werden, die die Fluidtemperatur mit der kinematische Viskosität des Fluids korreliert.
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