DE102010000755A1

DE102010000755A1 - Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig temperierten Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102010000755A1
Application number: DE102010000755A
Authority: DE
Inventors: Torsten 23562 Krüger; Torsten 27239 Hoppe
Original assignee: Endress and Hauser Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-01-09
Also published as: WO2011083036A2; DE102010000755B4; WO2011083036A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Viskosität einer temperierten Flüssigkeit, die während der Messung gleichmäßig und mit hoher Genauigkeit auf einer vorgebbaren Temperatur temperiert wird. Die Anordnung umfasst dazu – eine mit einer Transportleitung (10) verbundene und durch zwei Absperrventile absperrbare Bypass-Leitung (14); – eine auf der Bypass-Leitung (14) angebrachte Temperiereinrichtung (26, 38) für die Flüssigkeit, – eine Pumpe (18) zum Transport der Flüssigkeit durch die Bypass-Leitung (14); – ein Coriolis-Durchflußmessgerät (40) und – eine Steuereinrichtung zur Überwachung und Steuerung der Temperatur eines Messrohres des Coriolis-Durchflußmessgeräts (40).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig auf einer vorgebbaren Temperatur temperierten Flüssigkeit, insbesondere eine solche Anordnung, bei der die Flüssigkeit während der Messung mit hoher Genauigkeit temperiert wird.
Messungen von Viskositäten von Flüssigkeiten bei Referenztemperaturen werden verwendet, um die Eigenschaften und Qualitäten vergleichen zu können. So ist insbesondere die Viskosität von schwerem Heizöl und flüssigen Treibstoffen, wie beispielsweise Schiffsdiesel, die bei einer vorgegebenen Referenztemperatur gemessen wird, ein Qualitätskriterium für das von Raffinerien ausgelieferte Heizöl oder den Dieseltreibstoff. Ähnliches gilt für dickflüssige Stoffe in der Lebensmittelindustrie, die mittels volumetrischer Abfüllanlagen in Behälter abgefüllt werden sollen. Auch da ist es wichtig die Viskosität der abzufüllenden Stoffe bei der Referenztemperatur, der Arbeitstemperatur der Abfüllanlage, zu kennen, um die Abfüllanlage optimal einstellen zu können.
Die gewünschte oder geforderte Viskosität bei Referenztemperatur wird auch als ”Referenz-Viskosität” bezeichnet. Falls beispielsweise die Referenz-Viskosität eines aus einer Destillierkolonne einer Raffinerie direkt abgezogenen Diesels nicht auf Anhieb die geforderte Referenz-Viskosität aufweist, muss sie über beigemischte Zusatzstoffe eingestellt werden. Dieser Vorgang erfordert jedoch eine erste Kontrolle der Viskosität des direkten Produktes aus der Kolonne sowie weitere Viskositätsmessungen bei der Referenztemperatur im Rahmen der Zugabe der Zusatzstoffe, bis letztlich die geforderte Referenz-Viskosität des Dieseltreibstoffs vorliegt. Gleiches gilt für die oben genannten Stoffe in der Lebensmittelindustrie.
Um die geforderte Genauigkeit der Viskositätsmessungen zu erzielen, werden die Messungen bei Referenztemperaturen heute meist in Laboren mit entsprechenden Laborapparaturen durchgeführt. Das bedeutet aber, dass der eigentliche Herstellungsprozess des gewünschten Treibstoffs oder anderen Stoffes durch die Messungen im Labor unterbrochen werden muss, um anschließend die geforderte Referenz-Viskosität durch automatisierte Zugabe von Zusatzstoffen einzustellen. Des weiteren muss der zu untersuchende Stoff, der sich beim Transport zum Labor abkühlt, für jede Messungen bei Referenztemperatur, die größer als die Umgebungstemperatur ist, erneut aufgeheizt werden.
Bei der Messung der Referenz-Viskosität kommt es in besonderem Maße auf die Temperierung des zu untersuchenden Stoffes oder der Flüssigkeit an.
Nachfolgend werden ohne Einschränkung der erfinderischen Idee unter dem Begriff ”Flüssigkeit” auch solche zu untersuchenden Stoffe verstanden, die dickflüssig oder sogar pastös sind und deren Referenz-Viskosität zu bestimmen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig auf einer vorgebbaren Temperatur temperierten Flüssigkeit zu schaffen, die sich auf einfache Weise in den industriellen bzw. automatisierten Herstellungsprozess der Flüssigkeit integrieren lässt, wobei Messungen mit wenigstens der gleichen Messgenauigkeit wie Labormessungen erreicht werden und eine große Genauigkeit bei der Temperierung der Flüssigkeit erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig auf einer vorgebbaren Temperatur temperierten Flüssigkeit, die

– eine mit einer Transportleitung verbundene und durch zwei Absperrventile absperrbare Bypass-Leitung;
– eine auf der Bypass-Leitung angebrachte Temperiereinrichtung für die Flüssigkeit,
– eine Pumpe zum Transport der Flüssigkeit durch die Bypass-Leitung;
– ein Coriolis-Durchflußmessgerät und
– eine Steuereinrichtung zur Überwachung und Steuerung der Temperatur eines Messrohres des Coriolis-Durchflußmessgeräts

Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Temperiereinrichtung eine Kühlvorrichtung und eine elektrische Heizvorrichtung.
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die elektrische Heizvorrichtung ein Heizband auf der Bypass-Leitung zwischen den Absperrventilen.
In besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst das Heizband mehrere Sektionen, die jeweils separat gesteuert werden können.
Bei noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die elektrische Heizvorrichtung auch wenigstens ein Peltier-Heizelement.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Kühlschlange um die Bypass-Leitung als Kühlvorrichtung vorgesehen, wobei als Wärmetauschermedium Wasser verwendet wird.
Wieder eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet nach eine erste Temperaturmessvorrichtung einem der vorgehenden Ansprüche 2–6, bei der die Temperiereinrichtung eine erste Temperaturmessvorrichtung vor der Pumpe und eine zweite Temperaturmessvorrichtung nach der Kühlvorrichtung umfasst.
Noch andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung betreffen weitere Temperaturmessvorrichtungen nach dem Peltier-Heizelement und am Messrohr des Coriolis-Durchflußmessgeräts.
Bei wieder einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist vor der Kühlvorrichtung eine Druckmessvorrichtung vorgesehen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung beruht darauf, dass sie eine hohe Genauigkeiten bei der Temperierung der zu untersuchenden Flüssigkeit erlaubt. Im Rahmen von Funktionstests wurden Temperier-Genauigkeiten von ±0,1°C erreicht. Durch die exakte Temperierung der Flüssigkeit und eine entsprechende Steuerung ist es möglich, das für die Messung der Viskosität verwendete Coriolis-Durchflußmessgerät auf die gewünschte Referenztemperatur einzustellen und zu halten.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass sie als Bypass-Modul in einem industriellen Prozess direkt integriert werden kann. Bisher in Versuchen erreichte Genauigkeiten bei der Temperierung der zu messenden Flüssigkeit sind besser als vergleichbare Werte von entsprechenden Laboranlagen.
Bei Testversuchen hat sich auch gezeigt, dass selbst bei großen Durchflussänderungen und großen Temperaturschwankungen der zu untersuchenden Flüssigkeit am Einlauf in die Bypass-Leitung der Anordnung die hohe Messgenauigkeit gehalten werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, genauer beschrieben und erläutert.
Zur Vereinfachung sind gleiche Teile, Elemente und Module bzw. solche die sich in Aufbau und Funktion entsprechen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnung gibt den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung wieder.
Eine Flüssigkeit, hier zur Vereinfachung nicht dargestellt, deren Referenz-Viskosität bestimmt werden soll, wird innerhalb einer Anlage durch eine Transportleitung 10 transportiert. Die Fliessrichtung der Flüssigkeit ist durch Pfeile 12 veranschaulicht. Eine Bypass-Leitung 14 der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit der Transportleitung 10 mittels hier nicht dargestellter Flansche oder anderer Rohrverbindungen verbunden. Die Bypass-Leitung 14 ist durch Absperrventile 16 und 46 absperrbar.
Sobald das erste Absperrventil 16 im Eintritt 14E der Bypass-Leitung 14 geöffnet wird, kann – bei offenem zweiten Absperrventil 46 – ein Teil der zu messende Flüssigkeit aus der Transportleitung 10 in die Bypass-Leitung 14 strömen. Die Temperatur der Flüssigkeit Eintritt 14E der Bypass-Leitung 14 wird mit einer ersten Temperaturmessvorrichtung, sinnvollerweise ein Temperaturfühler 20 ermittelt, der sich noch vor einer motor-getriebenen Pumpe 18 befindet, die für einen gleichmäßigen Transport der zu messenden Flüssigkeit durch die Messstrecke sorgt. Bei dickflüssigen oder sogar pastösen Flüssigkeit empfiehlt sich die Verwendung einer Verdrängerpumpe, vorzugsweise einer Exzenterschneckenpumpe.
Direkt nach der Pumpe 18 eine Druckmessvorrichtung 22 vorgesehen, mit der der Druck der Flüssigkeit überwacht wird. Falls erforderlich, kann – je nach Art der Druckmessvorrichtung – in ihrer Zuleitung ein Absperrhahn vorgeschaltet sein, der zur Vereinfachung hier nicht dargestellt ist.
Nach der Druckmessvorrichtung 22 ist eine Kühlvorrichtung zum allfälligen Kühlen der Flüssigkeit in der Bypass-Leitung 14 vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung eine Kühlschlange 26, wie in der Zeichnung veranschaulicht, mit einem flüssigen Wärmetauschermedium, vorzugsweise Wasser. In ihrem Einlauf 34 als auch im Auslauf 30 der Kühlschlange 26 ist jeweils ein Absperrventil 36 bzw. Regelventil 32 vorgesehen, mit denen der Durchlauf des Wassers geregelt werden kann. Um das Wasser durch die Kühlschlange 26 zu bewegen, ist sinnvollerweise auch eine Pumpe im Einlauf 34 der Kühlvorrichtung vorzusehen, die zur Vereinfachung hier nicht dargestellt ist. Die Kühlwirkung der Kühlschlange 26 wird mittels Änderung des Wasserdurchlaufs eingestellt, der insbesondere über das Regelventil 32 im Auslauf 30 geregelt werden kann. Die Stellung des Regelventils 32 hängt von der Temperatur der Flüssigkeit nach der Kühlung durch die Kühlschlange 26 ab, die wiederum mittels einer zweiten Temperaturmessvorrichtung, sinnvollerweise ein Temperaturfühler 24, ermittelt wird. Er ist direkt nach der Kühlschlange 26 angeordnet. In der Zeichnung ist die Anhängigkeit der Stellung des Regelventils 32 von der vom Temperaturfühler 24 ermittelten Temperatur durch eine gestrichelte Linie veranschaulicht. Das Regelventil 32 zur Regelung des Wasserdurchlaufs durch die Kühlschlange 26 ist ein Beispiel möglicher Ausführungen.
Die durch die Kühlschlange 26 abgekühlte, zu messende Flüssigkeit wird anschließend in einen Bereich der Bypass-Leitung 14 transportiert, wo sie durch wenigstens ein Peltier-Heizelement 38 auf die Temperatur erwärmt wird, die erforderlich ist, damit in einem folgenden Coriolis-Durchflussmessgerät 40 die gewünschte Referenztemperatur im Messrohr herrscht, um die Referenz-Viskosität der Flüssigkeit zu bestimmen. Zur Kontrolle der Temperatur der Flüssigkeit beim Verlassen des Zone des Peltier-Heizelements 38 dient eine dritte Temperatur-Messvorrichtung, vorzugsweise ein Temperaturfühler 28. Zur Kontrolle der Temperatur des Messrohrs des Coriolis-Durchflussmessgeräts 40 dient eine dort vorgesehener Temperatur-Messvorrichtung, vorzugsweise ebenfalls ein Temperaturfühler 42. Die vom Peltier-Heizelement 38 aufzubringende Heizleistung hängt von den an den Temperaturfühlern 28 und 42 gemessenen Temperaturen ab, was in der Zeichnung durch gestrichelte Linien veranschaulicht wird. Nachdem mit dem Coriolis-Durchflussmessgerät 40 die Referenz-Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wurde, wird die Flüssigkeit durch einen Austritt 14A der Bypass-Leitung 14 wieder in die Transportleitung 10 zurückgeführt.
Falls die mit dem Coriolis-Durchflussmessgerät 40 bestimmte Referenz-Viskosität nicht den gewünschten Wert aufweist, werden der Flüssigkeit in der Transportleitung 10 in hier nicht dargestellter Weise Zusatzstoffe zugefügt, mit denen die gewünschte Referenz-Viskosität eingestellt werden soll. Eine Kontrolle erfordert einen neuerlichen Durchlauf der erfindungsgemäßen Anordnung mit Temperierung und Messung der Flüssigkeit wie oben beschrieben.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Anordnung ist die elektrische Heizung durch ein Heizband 44 entlang der Bypass-Leitung 14. Damit ergibt sich die Möglichkeit, gerade dickflüssige oder sogar nahezu pastöse Flüssigkeiten über die effektive Länge der Bypass-Leitung 14 auf einer Mindesttemperatur zu halten, um so die Mobilität der zu messenden Flüssigkeit zu erhalten. Dies ist besonders wichtig, wenn die erfindungsgemäße Anordnung in einem freiliegenden Außenbereich einer Herstellungsanlage installiert ist.
Außerdem verlieren viele Flüssigkeiten mit oder aus Kohlenwasserstoffen, wie beispielsweise Schmiermittel oder dickflüssige Treibstoffe, bei einem Stillstand der erfindungsgemäßen Anordnung ihre Mobilität und können von der Pumpe 18 nicht mehr bewegt werden. Eine Beheizung der Bypass-Leitung 14 mit dem Heizband 44 vor der eigentlichen Messung der Flüssigkeit kann dann dazu dienen, die erfindungsgemäßen Anordnung und die in deren Bypass-Leitung 14 befindliche Flüssigkeit auf die gewünschte Arbeitstemperatur zu bringen. Vorzugsweise ist das Heizband in mehrere separat ansteuerbare Sektionen unterteilt, so dass ausgewählte Sektionen der Bypass-Leitung 14 separat beheizt werden können. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Heizband in drei Sektionen unterteilt, die in der Zeichnung durch ”44a”, ”44b” und ”44c” veranschaulicht werden.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung basiert auf der Annahme, dass die am Temperaturfühler 20 gemessene Temperatur der zu messenden Flüssigkeit größer oder kleiner ist als die Referenztemperatur, bei der die Viskosität der Flüssigkeit im Coriolis-Durchflussmessgerät 40 ermittelt werden soll, und dass die Referenztemperatur größer als die typische Umgebungstemperatur ist. Unter diesen Annahmen ist es sinnvoll, die Kühlvorrichtung vor der Erwärmung durch das Peltier-Heizelement 38 anzuordnen, da die exakte Temperierung der Flüssigkeit für die Viskositätsmessung über das elektrische Heizelement besser zu realisieren ist als über die Kühlung durch Wasser. Für andere Ausgangslagen sind andere Anordnungen von Kühlung und Heizung vorstellbar.
Alle Messvorrichtungen, sowie das Heizband, dessen Sektionen und der Motor der Pumpe sind vorteilhafterweise mit einer hier nicht dargestellten Steuervorrichtung verbunden, ebenso wie alle Stellglieder, die automatisch betätigt werden sollen bzw. können. Die Steuervorrichtung kontrolliert und steuert insbesondere auch die Energieversorgung für den Motor der Pumpe 18, die elektrische Heizung durch das Heizband 44 und das Peltier-Heizelement 38 und für das Coriolis-Durchflussmessgerät 40. Falls die Steuervorrichtung in einem Schaltschrank untergebracht wird, können auch Anzeigevorrichtungen für alle in der Anordnung gemessenen Temperaturen, Drücke, Durchflussmengen bzw. Massenströme und die gemessenen Viskositäten vorgesehenen werden. Vorzugweise umfasst die Steuervorrichtung auch eine Kommunikationsvorrichtung mit einer Kommunikationsschnittstelle, mit denen gegebenenfalls eine Bus-Anbindung der Anordnung an einen industriellen Anlagenbus erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

10: Transportleitung
12: Fliessrichtung
14: Bypass-Leitung
14A: Austritt von (14)
14E: Eintritt von (14)
16: erstes Absperrventil
18: Pumpe
20: 1. Temperaturmessvorrichtung
22: Druckmessvorrichtung
24: 2. Temperaturmessvorrichtung
26: Kühlschlange
28: 3. Temperaturmessvorrichtung
30: Auslauf Kühlschlange
32: Regelventil (Kühlung)
34: Einlauf Kühlschlange
36: Absperrventil (Kühlung)
38: Peltier-Heizelement
40: Coriolis-Durchflussmessgerät
42: 4. Temperaturmessvorrichtung
44: Heizband
44a: 1. Sektion Heizband
44b: 2. Sektion Heizband
44c: 3. Sektion Heizband
46: zweites Absperrventil
48: drittes Absperrventil

Claims

Anordnung zur Messung der Viskosität einer gleichmäßig auf einer vorgebbaren Temperatur temperierten Flüssigkeit, die – eine mit einer Transportleitung verbundene und durch zwei Absperrventile absperrbare Bypass-Leitung; – eine auf der Bypass-Leitung angebrachte Temperiereinrichtung für die Flüssigkeit, – eine Pumpe zum Transport der Flüssigkeit durch die Bypass-Leitung; – ein Coriolis-Durchflußmessgerät und – eine Steuereinrichtung zur Überwachung und Steuerung der Temperatur eines Messrohres des Coriolis-Durchflußmessgeräts umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Temperiereinrichtung eine Kühlvorrichtung und eine elektrische Heizvorrichtung umfasst.
Anordnung nach Anspruch 2, bei der die elektrische Heizvorrichtung ein Heizband auf der Bypass-Leitung zwischen den Absperrventilen umfasst.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der das Heizband mehrere Sektionen umfasst, die jeweils separat gesteuert werden können.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die elektrische Heizvorrichtung auch wenigstens ein Peltier-Heizelement umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2–5, bei der die Kühlvorrichtung eine Kühlschlange um die Bypass-Leitung umfasst und als Wärmetauschermedium Wasser verwendet wird.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 2–6, bei der die Temperiereinrichtung eine erste Temperaturmessvorrichtung vor der Pumpe und eine zweite Temperaturmessvorrichtung nach der Kühlvorrichtung umfasst.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 1–7, bei der durch eine dritte Temperaturmessvorrichtung die Temperatur der Flüssigkeit nach dem Peltier-Heizelement gemessen wird.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 1–8, bei der durch eine vierte Temperaturmessvorrichtung die Temperatur des Messrohrs des Coriolis-Durchflußmessgeräts überwacht wird.
Anordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche 2–9, bei der vor der Kühlvorrichtung eine Druckmessvorrichtung vorgesehen ist.