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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit, des Volumenstroms oder der elektrischen Leitfähigkeit eines strömenden Fluids.
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In vielen Industriezweigen, wie etwa der Pharma-, Nahrungsmittel- oder Stahlindustrie, sind Volumenströme oder elektrische Leitfähigkeiten aus hygienischen oder technischen Gründen bevorzugt nicht-invasiv zu messen. Die Erfindung beschreibt eine Option, mit der der Volumenstrom oder die Fluidgeschwindigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit eines strömenden Fluids in einer Rinne, einem Rohr oder einem Kanal nicht-invasiv ermittelt werden können. Dabei ist das Verfahren unabhängig von der Opazität des Fluids einsetzbar.
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Die historisch ersten Volumenstrommessverfahren beruhen auf invasiven mechanischen Verfahren, bei denen durch den Fluidstrom bewegte Bauteile an ein Zählwerk gekoppelt sind. Beispielhaft seien hier Ovalradzähler und Flügelradzähler genannt, auf die hier aber wegen der Verhaftung an der Invasivität nicht näher eingegangen wird. Seitens der nichtinvasiven Verfahren sind vor allem Ultraschall-Messsysteme, magneto-induktive-Messsysteme sowie Corioliskraft-Volumenstrommesssysteme etabliert. Ein weiteres Messverfahren stellt die Lorentzkraft-Anemometrie dar, die aber noch keine weitreichende industrielle Verbreitung gefunden hat. Als optische, nicht-invasive Messverfahren sind die Laser-Doppler-Anemometrie sowie die Particle-Image-Velocimetry zu nennen. Die elektromagnetische Induktionstomographie ermöglicht die Auflösung von Strömungsstrukturen in Stranggusskokillen durch Messung des von Spulen in einer sich bewegende Metallschmelze induzierten Magnetfeldes an verschiedenen Orten. Beispielhaft ist in der
DE 10 2006 018 623 B4 ein Verfahren vorgestellt, bei dem eine strömungsbedingte Phasenverschiebung eines magnetischen Wechselfelds an verschiedenen Messorten zur Geschwindigkeitsbestimmung genutzt wird. Weitere nicht-invasive Volumenstrommessverfahren, die elektromagnetische Messverfahren nutzen, sind in der
US 3 191 436 A und in der
US 6 321 766 B1 beschrieben.
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Ultraschall-Messsysteme erfordern direkten Kontakt zur Rohr- bzw. Kanalwand, da sonst eine sehr starke Reflexion ausgesendeter Schallwellen eine Messung verhindert. Hieraus ergibt sich ein limitierter Temperatureinsatzbereich, da die Sensoren thermisch über die Gefäßwand an das Fluid gekoppelt sind. Außerdem ist dieses Verfahren angewiesen auf eine lange Ein- und Auslaufstrecke, ist sensitiv gegenüber Phasengrenzen im Fluid (z. B. Festkörperablagerungen oder Gasblasen) und misst prinzipiell nur Durchmesser-integral, weshalb systematische Messfehler bei unbekanntem Geschwindigkeitsprofil der Strömung entstehen. Hinzu kommt, dass die zu Grunde liegende Messgröße – die Laufzeitdifferenz von Schallsignalen – direkt von der Schallgeschwindigkeit des Fluids bestimmt wird, und letztere wiederum von verschiedenen, oft unbekannten oder zeitveränderlichen Parametern wie etwa der Temperatur, abhängt. Magneto-induktive-Messsysteme werden zwar meistens zu den nicht-invasiven Verfahren gezählt, sie erfordern jedoch die Einbringung von Elektroden mit Kontakt zum Fluid für die Messung einer durch ein externes Magnetfeld induzierten Spannung. Damit eignet sich das Verfahren nicht für aggressive und/oder sehr heiße Fluide. Ferner kommt es zu einem schleichenden Drift des Messwertes im Zeitverlauf durch Verschmutzung oder Korrosion der Elektroden. Corioliskraft-Messsysteme sind durch ihr Messprinzip sehr empfindlich gegenüber Dichteschwankungen, wie sie etwa bei Gasblasen oder Ablagerungen im Fluid auftreten. Weiterhin tritt durch die in Schwingung versetze Verengung ein häufig unerwünschter Druckverlust auf. Zusätzlich ist das Messverfahren empfindlich für umgebende Vibrationen und eignet sich nicht zur Messung im pulsierten bzw. stoßförmigen Betrieb. Die Lorentzkraft-Anemometrie ist im Bereich der Fluide mit sehr hoher Leitfähigkeit (flüssige Metalle) bereits einsatzfähig, gerät aber gleichzeitig im Bereich schwach leitfähiger Fluide an ihre Grenzen, da hier sehr kleine Kräfte in der typischerweise vibrationsreichen Umgebung detektiert werden müssen. Darum sind die Anforderungen an die Messtechnik als auch an die Magneten, die als Primärfeldquelle dienen, sehr hoch, was zu hohen Gesamtkosten führt. Das Verfahren ist hinsichtlich einer Mindestleitfähigkeit des Fluids limitiert. Die zwei optischen Messverfahren (Laser-Doppler-Anemometrie und Particle-Image-Velocimetry) sind nur in transparenten Fluiden verwendbar. Zusätzlich ist bei der Laser-Doppler-Anemometrie keine Momentaufnahme der Strömungsgeschwindigkeit möglich, da lediglich punktuell gemessen wird und darum erst eine Messung an vielen verschiedenen Stellen im Strömungsquerschnitt die Berechnung eines repräsentativen zeitlichen Mittelwertes des Volumenstroms erlaubt. Die Particle-Image-Velocimetry ist aufwendig in ihrer Anwendung, da große Datenmengen anfallen und somit hohe Computer-Rechenzeit für deren Auswertung anfällt, was Momentanmessungen meistens verhindert. Beide Verfahren erfordern zahlreiche Phasengrenzen im Fluid (zur Reflexion der eingesetzten optischen Strahlung), die oftmals in Form zusätzlich eingefügter Tracer-Partikel bereitgestellt werden. Weiterhin liegen die Anschaffungskosten dieser beiden optischen Messverfahren sehr weit über denen der anderen hier vorgestellten. Die elektromagnetische Induktionstomographie wurde speziell für Stranggusskokillen vorgestellt und verwendet mehrere Spulen zur Erzeugung eines Primärmagnetfeldes. Es handelt sich damit um eine problemspezifische Messmethode. Das in
DE 10 2006 018 623 B4 beschriebene Verfahren erfordert grundsätzlich ein äußeres magnetisches Wechselfeld, was je nach Anwendungsfall unerwünscht sein kann. Weiterhin sind für das Messverfahren bisher keine Messungen an nicht-metallischen Fluiden bekannt, was an der begrenzten Auflösbarkeit kleiner Phasenverschiebungen, die bei weniger leitfähigen Flüssigkeiten auftreten, liegen mag.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein universell einsetzbares, kostengünstiges Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung bereitzustellen, mit denen die Strömungsgeschwindigkeit, der Volumenstrom oder die elektrische Leitfähigkeit eines in einer Rinne, Kanal, Röhre oder dgl. strömenden Fluids unabhängig von dessen Opazität und nicht-invasiv ermittelt werden kann.
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Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe verfahrensseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des zweiten Patentanspruchs.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
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1 Prinzipskizze für ein Ausführungsbeispiel einer nicht-erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 Prinzipskizze für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Ein in einem Rohr (1) (Kanal, Rinne oder dgl.) strömendes Fluid (2) wird einem ersten Magnetfeld (im Folgenden als magnetisches Primärfeld bezeichnet) ausgesetzt. Dies kann je nach Anwendung ausreichend durch das dauerhaft präsente Erdmagnetfeld oder durch zusätzliche Einprägung weiterer Magnetfelder realisiert werden. Sofern die Magnetfeldlinien des Primärfeldes und die Strömungsrichtung des Fluids (2) nicht vollständig parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind, werden durch die Relativbewegung von magnetischen Primärfeld und Fluid gemäß des elektromagnetischen Induktionsgesetzes Wirbelströme im Fluid induziert, deren Größe mit zunehmender Fluidgeschwindigkeit v bzw. zunehmendem Volumenstrom und zunehmender elektrischer Leitfähigkeit wächst. Diese Wirbelströme bilden ihrerseits ein von ihrer Größe abhängiges zweites Magnetfeld (im Folgenden als magnetisches Sekundärfeld bezeichnet) aus, das dem magnetischen Primärfeld entsprechend der Lenzschen Regel entgegengerichtet ist. Die Messung dieses magnetischen Sekundärfeldes erlaubt den Rückschluss auf die Fluidgeschwindigkeit bzw. den Volumenstrom. Bei bekanntem Volumenstrom oder bekannter Fluidgeschwindigkeit und Strömungsquerschnittsfläche kann außerdem die elektrische Leitfähigkeit ermittelt werden. Das resultierende magnetische Sekundärfeld kann allgemein mit Hilfe eines geeigneten Magnetfeldsensors gemessen werden. In einer nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Sekundärfeld mit einer Hall-Sonde (3) ermittelt. Dabei wird zur Kalibrierung dieses Messaufbaus der Wert des Primärfeldes, bereitgestellt durch einen Permanentmagneten (4) (oder einen Elektromagneten oder lediglich durch das Erdmagnetfeld) bei deaktivierter Strömung (Ruhewert) gemessen. Die Differenz aus dem bei aktivierter Strömung gemessenen Wert der Magnetfeldstärke und dem Ruhewert gibt das Sekundärfeld an, aus dem auf die genannten Größen geschlossen werden kann. In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel können mit Hilfe sogenannter SQUIDs (Superconducting quantum interference device) insbesondere kleine Magnetfeldänderungen aufgelöst werden. Diese auf Quanteneffekten basierenden Bauelemente zählen derzeit zu den empfindlichsten Messinstrumenten überhaupt. Andere, ebenfalls sehr empfindliche Magnetfeldsensoren sind Fluxgate Sensoren. Je nach angestrebter Auflösung bzw. nach Größe der zu detektierenden sekundären Magnetfelder ist dabei die Sensorart auszuwählen. Mit Hilfe von SQUIDs ist es deshalb für viele industriell auftretende Strömungen möglich, bereits die Sekundärfelder aufzulösen, die entstehen, wenn die Strömung (v) im Rohr (1) lediglich dem allgegenwärtig präsentem Erdmagnetfeld als Primärfeld (B) ausgesetzt ist. Hierdurch wird der Einsatz einer künstlichen Primärfeldquelle überflüssig, was den Messaufbau vereinfacht, Kosten reduziert und magnetische Störeinflüsse auf umgebende Anlagen oder die Strömung selbst (Stichwort: Hartmann-Zahl) deutlich verringert.
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Da SQUIDs jedoch lediglich auf Änderungen des magnetischen Flusses reagieren, ist es unabdingbar, den relativen Abstand des/der SQUIDs (5) von der Strömung zu verändern. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen:
- (a) Position von SQUID und Strömung werden verändert
- (b) die Strömung bleibt ortskonstant, der SQUID wird bewegt
- (c) der SQUID bleibt ortskonstant, die Strömung wird bewegt
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Als Beispiel für eine ortsveränderliche Strömung (2) sei hier ein durchströmter Rohrabschnitt (1a) genannt, der mittels zweier flexibler Edelstahlflexschläuche oder sonstiger flexibler Verbindungen (6) an den Rest der Anlage angeschlossen und an einem Traversiersystem (7) befestigt ist, das die Ortsveränderung der Strömung (2) ermöglicht (s. 2). Durch die Relativbewegung von Strömung (2) und SQUID (5) zueinander kann die Veränderung des Sekundärfelds aufgelöst werden, während das Primärfeld (B) besonders bei Lösung (c) weitestgehend konstant bleibt. Es sei erwähnt, dass sich besonders SQUID Gradiometer für die Detektion und Auflösung von den hier auftretenden Nahfeldern bei gleichzeitiger Unterdrückung von Fernfeldern eignen, wenn aus technischen, finanziellen oder organisatorischen Gründen keine magnetische Abschirmkammer um den Messaufbau herum konstruiert werden kann.
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Je nach Anforderung sind für diverse industrielle Applikationen Hochtemperatur-SQUIDs ausreichend, die kostengünstig mit flüssigem Stickstoff anstatt mit deutlich teurerem und weniger ergiebigem flüssigen Helium gekühlt werden können. Durch Verzicht auf Helium vereinfacht sich zudem die tägliche oder dauerhafte Handhabung eines solchen Messsystems erheblich.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann die Ermittlung des Volumenstroms, der Fluidgeschwindigkeit bzw. der Leitfähigkeit eines sich relativ zu einem Magnetfeld bewegenden Fluids universell und kostengünstig durch Messung des induzierten Sekundärfeldes realisiert werden. Insbesondere wird die Messung dieses Sekundärfeldes mittels SQUIDs mit besonders hoher Auflösung möglich, wobei für diese Messung unter geeigneten Umständen das permanent vorhandene Erdmagnetfeld ausreichend ist. Folglich kann in diesem Fall auf eine künstliche Primärfeldquelle verzichtet werden. Die Vorteile liegen zunächst in der Unabhängigkeit des Verfahrens vom Fluid: das Verfahren ist nicht-invasiv und unabhängig von der Opazität des Fluids und hat darum einen sehr großen Anwendungsbereich. Das nicht-erfindungsgemäße Verfahren ist bei Einsatz einer Hallsonde zur Sekundärfeldmessung technisch einfach und robust bei geringen Anschaffungs- und Betriebskosten nutzbar. Werden hingegen SQUIDs zur Sekundärfeldmessung bei Nutzung des Erdmagnetfeldes als Primärfeld verwendet, liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr hohe Auflösung und kann darum zur Messung sehr schwach leitfähiger Fluide eingesetzt werden und ist durch die Unabhängigkeit von künstlichen Primärfeldquellen besonders universell einsetzbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr (Rinne, Kanal oder dgl.)
- 1a
- flexibel befestigter Rohrabschnitt
- 2
- strömendes Fluid
- 3
- Hall-Sonde
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- SQUID
- 6
- flexible Rohr-Verbindungen
- 7
- Traversiereinheit
- 8
- Auswerteeinheit
- B
- Erdmagnetfeld
