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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Messsystems, welches zur Bestimmung einer Eigenschaft, insbesondere des Mischungsverhältnisses oder der Viskosität, eines ersten Mediums und/oder eines zweiten Mediums dient. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kalibriervorrichtung.
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Die Problemstellung soll zunächst anhand der Eigenschaft „Mischungsverhältnis“ erläutert werden. In vielen Anwendungen ist es wichtig das Mischungsverhältnis zweier Medien genau zu kennen. Beispielsweise ist es bei der Ölförderung wichtig das Mischungsverhältnis von Öl zu Wasser zu kennen. Abrechnungstechnisch ist dies notwendig, da daraus Abgaben wie Steuern erfolgen. Gleichzeitig ist das Mischungsverhältnis ein Maß für die Güte der Ölquelle.
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In der Rheologie stellt die Viskosität eine zentrale Größe dar. Sie hat Bedeutung in praktisch allen Bereichen, in denen Fluide eingesetzt werden oder vorkommen. Insbesondere bei der Ölförderung stellt die Viskosität eine wichtige Kenngröße dar.
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Um die Messgeräte zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses oder der Viskosität zu kalibrieren, wurden bisher Proben des Mediums, dessen Mischungsverhältnis/Viskosität bestimmt werden soll, entnommen und im Labor ausgewertet. Ergeben sich Unterschiede zwischen dem Messwert „vor Ort“ und dem Messwert im Labor, wird das Messgerät vor Ort entsprechend kalibriert und/oder justiert. Aufgrund des Zeitverzugs ergeben sich allerdings Ungenauigkeiten. Darüber hinaus herrschen im Labor definitionsgemäß andere Bedingungen (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, etc.), sodass schon allein durch den Ortswechsel Ungenauigkeiten auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genaue Bestimmung einer Eigenschaft, insbesondere des Mischungsverhältnisses zweier Medien und/oder die Viskosität eines Mediums, direkt am Ort des Prozesses zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte: Leiten des ersten Mediums, insbesondere Wasser, des zweiten Mediums oder einer Mischung des ersten und des zweiten Mediums, zu einem Durchflussmessgerät; Bestimmen des Durchflusses des Mediums mittels des Durchflussmessgeräts; Leiten des Mediums zu dem Messsystem; Bestimmen der Eigenschaft des Mediums durch das Messsystem, und Kalibrieren des Messsystems anhand der Messdaten des Durchflussmessgeräts.
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Es ist somit möglich die Kalibrierung des Messgeräts direkt vor Ort mit den dort herrschenden Umgebungsbedingungen durchzuführen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei der Eigenschaft um das Mischungsverhältnis, und bei dem zweiten Medium handelt es sich insbesondere um Öl.
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Alternativ oder zusätzlich handelt es sich bei der Eigenschaft um die Viskosität, und es handelt sich bei dem zweiten Medium insbesondere um Glycerin.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Durchfluss mit einem Massedurchflussmessgerät bestimmt. Mit einem Massedurchflussmessgerät kann auch die Dichte des zu messenden Mediums bestimmt werden. Haben die Medien, welche die Mischung ausmachen, unterschiedliche Dichte, kann somit das Mischungsverhältnis exakt bestimmt werden. Vorteilhafterweise werden die beiden Medien vorab in Reinform vermessen, d.h. die Dichten der Reinmedien bestimmt. Auch zur Bestimmung der Viskosität eines Mediums ist es notwendig den Massendurchfluss bzw. die Massenbeschleunigung zu kennen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin die Schritte: Heizen/Kühlen zumindest des Mediums auf eine bestimmte Temperatur; Bestimmen der Temperatur des Mediums; und Bestimmen des Temperaturkoeffizienten des Mediums.
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Da die Dichte eines Mediums temperaturabhängig ist, kann somit der Temperaturkoeffizient bestimmt werden. Man hat somit genaue Kenntnis der Dichte bei einer bestimmten Temperatur.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Kalibriervorrichtung, insbesondere eine transportable Kalibriervorrichtung, umfassend: ein erstes Behältnis mit einem ersten Medium, insbesondere Wasser; ein zweites Behältnis mit einem zweiten Medium; ein erstes Durchflussmessgerät mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei das erste Behältnis mit dem Eingang des ersten Durchflussmessgeräts verbunden ist, wobei das zweite Behältnis mit dem Eingang des ersten Durchflussmessgeräts verbunden ist; ein drittes Behältnis mit einem dritten Medium, wobei das dritte Medium eine Mischung aus dem ersten Medium und zweiten Medium ist, wobei das dritte Behältnis mit dem Eingang des ersten Durchflussmessgeräts verbunden ist; ein erster Verbindungsabschnitt, insbesondere mit einem zweiten Durchflussmessgerät, welches das erste Behältnis mit dem dritten Behältnis verbindet; ein zweiter Verbindungsabschnitt, insbesondere mit einem dritten Durchflussmessgerät, welches das zweite Behältnis mit dem dritten Behältnis verbindet, wobei der Ausgang des ersten Durchflussmessgeräts mit einem Eingang des Messsystems verbundbar ist; und eine Datenverarbeitungseinheit, die den Zufluss aus dem ersten Behältnis zum ersten Durchflussmessgerät und zum dritten Behältnis steuert und/oder regelt, die den Zufluss aus dem zweiten Behältnis zum ersten Durchflussmessgerät und zum dritten Behältnis steuert und/oder regelt, die den Zufluss aus dem dritten Behältnis zum ersten Durchflussmessgerät steuert und/oder regelt, wobei der Zufluss zum ersten Durchflussmessgerät und damit zum Messsystem entweder mit Medium aus dem ersten Behältnis oder aus dem zweiten Behältnis oder aus dem dritten Behältnis stattfindet.
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Es ist somit möglich die Kalibrierung des Messgeräts direkt vor Ort mit den dort herrschenden Umgebungsbedingungen durchzuführen, indem die Kalibriervorrichtung mit dem Eingang des Messgeräts verbunden wird und das erste, zweite oder dritte Medium dem Messgerät zugeführt werden. Das Messgerät bestimmt dann das Mischungsverhältnis im zugeführten Medium.
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Anhand eines Vergleichs des Messdaten des ersten Durchflussmessgeräts mit den Messdaten den Messgeräts kann das erste Messgerät kalibriert und/oder justiert werden, z.B. durch die Datenverarbeitungseinheit.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Eigenschaft um das Mischungsverhältnis, und es handelt sich bei dem zweiten Medium insbesondere um Öl.
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Alternativ oder zusätzlich handelt es sich bei der Eigenschaft um die Viskosität, und es handelt sich bei dem zweiten Medium insbesondere um Glycerin.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Kalibriervorrichtung weiter ein viertes Behältnis mit einem vierten Medium, insbesondere mit Eichöl, wobei das vierte Behältnis mit dem Eingang des ersten Durchflussmessgeräts verbunden ist. Es ist somit möglich, das erste Durchflussmessgerät selbst, das als Referenzdurchflussmessgerät fungiert, zu kalibrieren und gegebenenfalls zu justieren.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich zumindest bei dem ersten Durchflussmessgerät um ein Massedurchflussmessgerät. Mit einem Massedurchflussmessgerät kann auch die Dichte des zu messenden Mediums bestimmt werden. Haben die Medien, welche die Mischung ausmachen, unterschiedliche Dichte, kann somit das Mischungsverhältnis exakt bestimmt werden. Vorteilhafterweise werden die beiden Medien vorab in Reinform vermessen, d.h. die Dichten der Reinmedien bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest in einem der Behältnisse ein Heiz-/Kühlelement und ein Temperatursensor angebracht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung bestimmt die Datenverarbeitungseinheit Anhand der Messdaten des Massedurchflussmessgeräts und des Temperatursensor den Temperaturkoeffizienten des Mediums im ersten Behältnis, zweiten Behältnis, dritten Behältnis und/oder vierten Behältnis. Da die Dichte eines Mediums temperaturabhängig ist, kann somit der Temperaturkoeffizient bestimmt werden. Man hat somit genaue Kenntnis der Dichte bei einer bestimmten Temperatur.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinheit so ausgestaltet, dass im dritten Behältnis jede beliebige Mischung aus dem ersten Medium aus dem ersten Behältnis und dem zweiten Medium aus dem zweiten Behältnis einstellbar ist. Es kann somit zur Kalibrierung jedes beliebige Mischungsverhältnis aus erstem und zweitem Medium hergestellt werden. Vorteilhafterweise wird das Verhältnis eingestellt, das dem Mischungsverhältnis des Mediums entspricht, welches das Messgerät an seinem Einsatzort im Normalbetrieb überwacht.
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Zum Feststellen bzw. zum Verhindern von unzulässigen Drücken oder dass unerwünschter Dampf entsteht ist zumindest in einem der Behältnisse ein Drucksensor angebracht.
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Bevorzugt ist die Kalibriervorrichtung als eine kompakte, mobile und gegebenenfalls tragbare Einheit ausgestaltet. Bei größeren Nennweiten bis etwa DN15 kann die Mobilität mittels Rollen oder ähnlichem gewährleistet werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näherer erläutert. Es zeigt
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1 die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung in einer ersten Ausgestaltung, und
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2 die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1.
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Die Kalibriervorrichtung 1 dient zur Bestimmung einer Eigenschaft eines ersten und/oder eines zweiten Mediums. Im Folgenden und in 1 gezeigt soll zunächst auf die Eigenschaft „Mischungsverhältnis“ eingegangen werden. Später, und in 2 gezeigt, soll auf die Eigeschaft „Viskosität“ eingegangen werden.
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Das zu kalibrierende Messsystem 8 ist in 1 auf der linken Seite dargestellt und stellt ein in diesem Bereich übliches Messgerät zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses zweier Medien dar. Das Messsystem 8 stellt etwa den Wassergehalt von Wasser in Öl fest. Das Messsystem kann dann etwa an einer Ölquelle verwendet werden.
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Die Kalibriervorrichtung 1 besteht aus einem ersten Behältnis 2, einem zweiten Behältnis 3 und einem dritten Behältnis 4. Im ersten Behältnis 2 befindet sich ein erstes Medium, z.B. Öl, insbesondere Reinöl. Im zweiten Behältnis 3 befindet sich ein zweites Medium, z.B. Wasser, insbesondere Reinwasser. Die Vorsilbe „Rein“ soll hierbei ausdrücken, dass es sich nicht um eine Mischung handelt, sondern, dass das Öl bzw. das Wasser mit so wenig Verunreinigungen und/oder Mischungen verunreinigt sind.
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Die Kalibriervorrichtung 1 ist als tragbare, auch mobile Einheit ausgestaltet. Zu diesem Zweck ist die Kalibriervorrichtung 1 mit Rollen o.ä. ausgestattet. Nennweiten von bis zu DN15 sind so realisierbar. Die Kalibriervorrichtung 1 wird also direkt an das Messsystem 8, also etwa an einer Ölquelle angebracht. Das Öl bzw. Wasser im ersten bzw. zweiten Behältnis 3, 4 stammen daher auch direkt aus/von der Ölquelle um die Kalibrierung unter den direkt an der Messstelle vorherrschenden Bedingungen so genau wie möglich zu machen.
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Im dritten Behältnis 4 befindet sich eine Mischung aus dem ersten und zweiten Medium, also Öl und Wasser. Dazu gibt es Leitungen vom ersten Behältnis 2 zum dritten Behältnis 4 und vom zweiten Behältnis 3 zum dritten Behältnis 4. An entsprechenden Stellen sind Pumpen 15 und Ventile 14 vorgesehen.
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Damit das Mischungsverhältnis im dritten Behältnis 4 genau eingestellt werden kann, sind ein zweites Durchflussmessgerät 6 und ein drittes Durchflussmessgerät 7 vorgesehen. Das zweite Durchflussmessgerät 6 verbindet das erste mit dem dritten Behältnis 1, 3; das dritte Durchflussmessgerät 7 verbindet das zweite Behältnis 3 mit dem dritten Behältnis 4.
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Vom ersten, zweiten und dritten Behältnis 2, 3, 4 gehen jeweils Leitungen zum Messsystem 8. Vom Messsystem 8 gibt es jeweils wieder Leitungen zurück zum ersten, zweiten und dritten Behältnis 2, 3, 4 (dargestellt über die Verbindungen 9, 10, 11). An entsprechenden Stellen sind Pumpen 15 und Ventile 14 vorgesehen.
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Die Flussrichtung der jeweiligen Medien ist durch einen Pfeil 16 gekennzeichnet.
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In Flussrichtung vor dem Messsystem 8 ist ein erstes Durchflussmessgerät 5 vorgesehen, d.h. egal von wo Medium zufließt – erstes, zweites oder drittes Behältnis 2, 3, 4 – das Durchflussmessgerät 5 kann diesen Durchfluss erfassen.
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Zumindest das erste Durchflussmessgerät 5 ist als Massedurchflussmessgerät ausgestaltet. Massedurchflussmessgeräte sind in der Lage neben dem Massefluss auch die Dichte und damit auch die Viskosität (siehe unten) zu bestimmen.
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In einem ersten Schritt wird Medium vom ersten Behältnis 2 zum Messsystem 8 bzw. durch das erste Durchflussmessgerät 5 geleitet und dessen Dichte bestimmt. In einem nächsten Schritt wird Medium vom zweiten Behältnis 3 zum Messsystem 8 bzw. durch das erste Durchflussmessgerät 5 geleitet und dessen Dichte bestimmt. So können die Dichten der Reinmedien, also Reinwasser und Reinöl, direkt vor Ort unter den dort vorherrschenden Bedingungen bestimmt werden. Man bekommt also einen 0 %- und einen 100 %-Wert für das Mischungsverhältnis. Die Medien werden nach dem Messsystem entweder wieder zurück in das jeweilige Behältnis 2, 3 geleitet, fachgerecht entsorgt und/oder ins dritte Behältnis 4 geleitet. Vorteilhafterweise werden die Medien so geleitet, dass sie das jeweils andere nicht verunreinigen.
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In einem weiteren Schritt wird im dritten Behältnis eine Mischung aus Reinöl und Reinwasser aus ersten und zweiten Behältnis 2, 3 hergestellt. Wie bereits erwähnt, werden die jeweiligen Durchflüsse vom zweiten und dritten Durchflussmessgerät 6, 7 gemessen und über die entsprechenden Ventile 14 und Pumpen 15 gesteuert. Jedes beliebige Mischungsverhältnis kann hergestellt werden. Vorteilhafterweise kann ein Verhältnis eingestellt werden, das dem Mischungsverhältnis des Mediums entspricht, welches das Messgerät an seinem Einsatzort im Normalbetrieb überwacht.
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Für die Steuerung ist entweder eine übergeordnete Einheit, etwa eine Leitstelle, zuständig, oder es ist – was bei mobilen praktikabler ist – eine Datenverarbeitungseinheit 17 in Form eine Controllers, Computers etc. vorgesehen. In 1 ist die Datenverarbeitungseinheit 17 mit jeweiligen gestrichelten Steuerleitungen für die entsprechenden Komponenten dargestellt.
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Die im dritten Behältnis 4 hergestellte Mischung, d.h. das dritte Medium, wird nun zum Messsystem 8 bzw. zum ersten Durchflussmessgerät 5 geleitet. Dieses bestimmt nun die Dichte des dritten Mediums. Aus den bekannten (da im vorherigen Schritt gemessenen) Dichten des ersten und zweiten Mediums kann aus der Dichte des dritten Mediums das Mischungsverhältnis, im konkreten Fall also des Verhältnis von Wasser zu Öl, berechnet werden. Das dritte Medium wird anschließend entweder fachgereicht entsorgt und/oder zurück ins dritte Behältnis 4 zurück geleitet.
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Weicht die Messung des Mischungsverhältnis vom Messsystems 8 von der Messung des ersten Durchflussmessgeräts 5 in einem der drei Fälle (Medium aus erstem, zweitem oder drittem Behältnis 2, 3, 4) ab, so wird das Messsystem (nach-)justiert.
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Im ersten, zweiten oder dritten Behältnis 2, 3, 4 ist zumindest eine Temperaturmessung 12, bestehend aus Temperatursensor 12a, Heiz-/Kühlelement 12b und Mischer 12c, vorgesehen. Mit der Temperaturmessung 12 kann eine bestimmte Temperatur des jeweiligen Mediums eingestellt und überwacht werden. Dies ist insofern entscheiden, als dass die Dichte eines Mediums temperaturabhängig ist und durch die beschriebene Anordnung der Temperaturkoeffizient bestimmt werden kann. Unter Temperaturkoeffizient soll hier die relative Änderung der Dichte in Abhängigkeit von der Änderung der Temperatur gegenüber einer festgelegten Referenztemperatur, etwa 20 °C, verstanden werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, d.h. die Messung im Labor, wird also der Temperaturkoeffizient direkt vor Ort bestimmt und nicht durch Tabellenwerte, die häufig nicht der Realität entsprechen, angenommen.
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Des Weiteren ist zumindest ein Drucksensor 13 vorgesehen. So können durch das Aufheizen entstehende Dämpfe und Drücke erkannt und vermieden werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei das oben beschriebene analog auch für die 2 gilt.
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Die Ausführungsform in 2 dient zur Kalibrierung der Kalibriervorrichtung 1 hinsichtlich des Parameters Viskosität. Um vorab das erste Durchflussmessgerät 5, also das Referenzgerät, zu kalibrieren, ist ein viertes Behältnis 18 mit einem vierten Medium vorgesehen. Bei dem vierten Medium handelt es sich etwa um Eichöl. Das Eichöl hat bei einer bestimmten Temperatur eine bekannte Viskosität. Somit kann das erste Durchflussmessgerät 5 kalibriert und gegebenenfalls justiert werden.
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Im zweiten Behältnis 3 befindet sich statt einem Öl, wie im Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt, Glycerin. Alle verwendeten Medien sind somit günstig und ungiftig. Glycerin hat eine bekannte Viskosität.
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Im dritten Behältnis 4 können beliebige Mischungsverhältnis eingestellt werden. Es ist somit auch jeder beliebige Viskositätswert einstellbar. So kann beispielweise zuerst Wasser aus dem ersten Behältnis 2, anschließend Glycerin aus dem zweiten Behältnis 3 und schließlich eine beliebige Mischung der beiden aus dem dritten Behältnis 4 zur Kalibriervorrichtung 1 geleitet werden. Die Kalibriervorrichtung 1 kann somit kalibriert und gegebenenfalls justiert werden.
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In der Ausführungsform in 2 wird zur Messung des Durchflusses kein zweites oder drittes Durchflussmessgerät 6, 7 verwendet. Diese können analog auch für die Bestimmung des Mischungsverhältnisses in 1 weggelassen werden.
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Auch im vierten Behältnis 18 befindet sich eine Temperaturmessung 12, bestehend aus Temperatursensor 12a, Heiz-/Kühlelement 12b und Mischer 12c. Auch die Viskosität ist hochgradig temperaturabhängig, so dass mit der Temperaturmessung 12 eine bestimmte Temperatur des jeweiligen Mediums eingestellt und überwacht werden kann. Somit kann auch hier der Temperaturkoeffizient bestimmt werden.
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2 zeigt keine Drucksensoren 13. Je nach Ausführungsform können diese jedoch verwendet werden. Analog können diese auch im Ausführungsbeispiel in 1 weggelassen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kalibriervorrichtung
- 2
- Erstes Behältnis
- 3
- Zweites Behältnis
- 4
- Drittes Behältnis
- 5
- Erstes Durchflussmessgerät
- 6
- Zweites Durchflussmessgerät
- 7
- Drittes Durchflussmessgerät
- 8
- Messsystem
- 9
- Verbindung 8 zu 2
- 10
- Verbindung 8 zu 3
- 11
- Verbindung 8 zu 4
- 12
- Temperaturmessung
- 12a
- Temperatursensor
- 12b
- Heiz-/Kühlelement
- 12c
- Mischer
- 13
- Druckmessung
- 14
- Ventil
- 15
- Pumpe
- 16
- Pfeil für die Flussrichtung
- 17
- Datenverarbeitungseinheit
- 18
- Viertes Behältnis
- 19
- Verbindung 8 zu 18