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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids in einer Rohrleitung sowie eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Insbesondere betrifft die Efindung ein Verfahren zur Messung der Dichte eines Fluids in einer Rohrleitung, die einen Messabschnitt mit einem konstanten Messabschnittvolumen aufweist, wobei das Fluid eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeit-Feststoffgemisch ist, umfassend die Schritte:
- - kontinuierliches Fördern des Fluids durch die Rohrleitung (1) und den Messabschnitt, wobei der Messabschnitt stets vollständig mit dem Fluid gefüllt ist,
- - Erfassen der durch den Messabschnitt auf mindestens einen Kraftaufnehmer ausgeübten Gewichtskraft während des Förderns und
- - Ermitteln der Dichte aus der von dem mindestens einen Kraftaufnehmer erfassten Gewichtskraft.
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Die Erfassung der Dichte und des Massenstroms von Fluiden in einem rohleitungsgebundenen Förderstrom ist eine wesentliche Aufgabe der Prozessüberwachung und Prozesssteuerung.
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Aus der Veröffentlichung SensoTech, Konzentrationsmessung in Flüssigkeiten, Messverfahren im Vergleich 04/2015, heruntergeladen unter der Internetdomain
http://www.sensotech.com/cms/index.php?id=134&file=1A944B0&no cache=1&uid=3801 am 15.09.2016, sind verschiedene weitere Messprinzipien zur Dichtebestimmung in Flüssigkeiten bekannt:
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• Schallgeschwindigkeitsmessung
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Das Prinzip beruht auf Messung der Schallgeschwindigkeit in einem Fluid. Ein Ultraschallsignal wird von einem Sender zu einem Empfänger gesendet und die Laufzeit berechnet. Hieraus wird die Geschwindigkeit ermittelt. Die gemessene Geschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration des Feststoffes im Fluid. Der Zusammenhang ist nicht linear und von Stoff zu Stoff verschieden. Höhere Konzentrationen führen zur Erhöhung der Messfehler und damit zu einer starken Reduzierung der Systemgenauigkeit.
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• Mechanische Schwingungssysteme
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Das Verfahren beruht auf einem Feder-Massen-System. Ein Rohr in dem das Fluid fließt wird mechanisch in Schwingung versetzt. Die Frequenz der Schwingung ist abhängig von der Federkonstante und dem Gewicht des Rohres. Sofern die Masse des Rohres und das Volumen konstant bleiben, kann durch die Frequenzbestimmung die Dichte des Fluides ermittelt werden. Dieses System ist sehr temperaturabhängig. Weiterhin wird durch Materialermüdung der Feder die Steifigkeit verändert.
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• Leitfähigkeitsmessung
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Bei diesen Systemen wird die elektrolytische Leitfähigkeit des Fluides, welche abhängig von der Art und Konzentration der in dem Fluid vorkommenden Ionen ist, als Maß für die Dichteermittlung genutzt. Die Anwendung ist beschränkt auf Fluide, die gelöste Stoffe beinhalten.
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• Refraktometrie
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Diese Systeme nutzen den Berechnungsindex von flüssigen und festen Stoffen des Fluides. In Abhängigkeit der Art und der Konzentration der gelösten Stoffe wird das Licht unterschiedlich reflektiert. Aus dem Brechungsindex wird die Konzentration ermittelt. Das optische System ist sehr anfällig durch Verklebungen. Weiterhin ist diese Technologie für trübe Fluide sowie hohe Feststoffkonzentrationen ungeeignet.
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• Radiometrie
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Ein radioaktives Präparat sendet eine radioaktive Strahlung durch das Fluid, die ein Empfänger aufnimmt. Der Empfänger wandelt die radioaktive Strahlung in Lichtblitze um und wertet die Anzahl der Blitze aus. Da das Durchdringen der Gammastrahlung von der Materie abhängt, wird aus der Intensität der Blitze auf die Dichte des Fluides geschlossen. Das System bedarf einer komplexen Kalibrierung und verursacht hohe Entsorgungskosten. Weiterhin liefert das System bei hoher Konzentration der Feststoffe im Fluid Fehler in der Größenordnung von 10 % - 15 %. Weiterhin ist für diese Systeme ein Strahlenschutzbeauftragter am Einsatzort erforderlich.
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Ferner ist unter der Kennzeichnung FlowSlide ein Schüttstrom-Messgerät für frei fließende Schüttgüter der Firma Hense-Wägetechnik GmbH, 59929 Brilon, Deutschland bekannt, das unter der Internetdomain http://www.hensewaegetechnik.de/de/produkte/durchlaufwaagen/flowslide.php, heruntergeladen am 15.09.2016, beschrieben ist. Das trockene, frei fallende Schüttgut wird in eine bogen- bzw. teilkreisförmige Rutsche eingeleitet. Die hierdurch in der Krümmung entstehende Zentripetalkraft korreliert mit dem Massenstrom. Das System ist beschränkt auf trockene fließfähige Schüttgüter mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Die Messung einer Dichte ist mit diesem Messgerät nicht möglich.
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Schließlich ist ein Durchflussmengen-Messgerät für Feststoffe in der pneumatischen Förderung und im freien Fall der Firma Hense-Wägetechnik GmbH, 59929 Brilon, Deutschland bekannt, das unter der Internetdomain http://www.hensewaegetechnik.de/de/produkte/durchlaufwaagen/micflowmeter.php, heruntergeladen am 15.09.2016, beschrieben ist. Dieses Messgerät dient der Bestimmung des Massenstroms in Gas-Feststoff-Fluiden. Ein Sensor sendet Mikrowellen mit 24 GHz durch die Leitung. Die Feststoffteilchen in dem Fluid reflektieren ein Impulsspektrum, woraus der Massenstrom errechnet wird. Das Messgerät ist nur für Fluide bestehend aus Gas und Feststoff mit einer geringen Feststoffkonzentration geeignet. Eine Dichtebestimmung ist nicht möglich.
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Die Auswertung des Standes der Technik zeigt, dass die bekannten Verfahren und Messeinrichtungen teilweise Einsatzbeschränkungen unterliegen. Einige Verfahren und Messeinrichtungen sind nur für Fluide, in denen Feststoffe in Lösung gegangen sind anwendbar, andere sind nur für geringe Konzentrationen der Feststoffe in dem Fluid geeignet. Teilweise sind die Verfahren und Messeinrichtungen lediglich für Feststoff-Gas-Gemische konzipiert. Des Weiteren lassen sich mit den bekannten Verfahren und Messeinrichtungen entweder die Dichte oder der Massenstrom erfassen.
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Ausgehend von einem Verfahren und einer Messeinrichtung der eingangs erwähnten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Messung der Dichte von Fluiden in Form von Flüssigkeiten oder Flüssigkeit-Feststoffgemischen während des hydraulischen Transports in Rohrleitungen vorzuschlagen, welches neben der Dichte des strömenden Fluids eine Ermittlung von dessen Massenstrom erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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In vielen Prozessen ist neben der Dichte eines strömenden Fluids dessen Massenstrom von besonderer Bedeutung. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher neben der Dichte die Strömungsenergie des Fluids in dem Messabschnitt mittels mindestens einer Kraftmessvorrichtung erfasst. Aus der Strömungsenergie und der Dichte des Fluids lassen sich dessen Strömungsgeschwindigkeit und aus der Strömungsgeschwindigkeit und der bekannten Dichte der Massenstrom des Fluids ermitteln.
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Die Strömungsenergie ist bei vollständig mit Fluid gefülltem und konstantem Querschnitt in dem Messabschnitt von der Dichte des Fluides und dessen Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Unter Berücksichtigung der bekannten Dichte des Fluids kann aus der Strömungsenergie daher die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Das Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit, dem Querschnitt des Messabschnitts und der Dichte liefert den Massenstrom.
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Zur Erfassung der Strömungsenergie kommt vorzugsweise eine intrusive Kraftmessvorrichtung zum Einsatz, bei der das Fluid einen Verformungskörper der mindestens einen Kraftmessvorrichtung in dem Messabschnitt umströmt und den Verformungskörper elastisch verformt, wodurch sich der elektrische Widerstand eines auf dem Verformungskörper angebrachten Dehnungsmessstreifens ändert. Das sich ändernde Signal des Dehnungsmessstreifen korreliert mit der Strömungsenergie des Fluids.
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Das Fluid ist eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeit-Feststoffgemisch. Das Flüssigkeit-Feststoffgemisch liegt als Lösung oder Suspension vor. Die Lösung besteht aus mindestens einem gelösten festen Stoff und aus dem flüssigen Lösungsmittel, das seinerseits wiederum eine Lösung sein kann. In der Suspension werden fein verteilte Teilchen aus Feststoff in einer Flüssigkeit in der Schwebe gehalten.
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Der Messabschnitt der Rohrleitung wird ständig von dem Fluid durchströmt, während der Kraftaufnehmer fortlaufend die durch den Messabschnitt auf den Kraftaufnehmer ausgeübte Gewichtskraft erfasst. Die Gewichtskraft ergibt sich aus der Masse des Messabschnitts sowie der Masse der Flüssigkeit, die sich in dem Messabschnitt mit einem bekannten, konstanten Messabschnittvolumen befindet. Die von dem Kraftaufnehmer erfasste Gewichtskraft bezogen auf das konstante Messabschnittvolumen des Messabschnitts ist proportional zur Dichte des Fluids zum Zeitpunkt der Messung in dem Messabschnitt. Infolge dessen lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus der erfassten Gewichtskraft die Dichte des in dem Messabschnitt befindlichen Fluids kontinuierlich erfassen. Damit einwandfreie Messergebnisse erfasst werden, muss der Messabschnitt stets vollständig mit Fluid gefüllt sein.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass auch die Dichte von Flüssigkeiten gemessen werden kann, die Feststoffteilchen in Suspension enthalten, weil die Rohrleitung und damit auch deren Messabschnitt mit hoher Geschwindigkeit durchströmt werden können, sodass die Feststoffteilchen in der Schwebe bleiben und nicht sedimentieren.
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Als Kraftaufnehmer zur Erfassung der Gewichtskraft kommen beispielsweise resistive Kraftsensoren mit Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrische Kraftsensoren in Betracht. Darüber hinaus können Wägezellen als Kraftaufnehmer zum Einsatz gelangen, bei denen eine elastische Verformung eines Federkörpers von Dehnungsmessstreifen erfasst und in ein elektrisches Signal umgeformt wird.
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Durch eine vorauseilende Kalibrierung wird der Zusammenhang zwischen der gemessenen Gewichtskraft als Funktion der Dichte ermittelt. Im Rahmen der Kalibrierung wird eine Korrelation zwischen der Signalstärke des elektrischen Signals des Kraftaufnehmers und der mit einer herkömmlichen Methode bestimmten Dichte des Fluids in dem Messabschnitt ermittelt.
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Dies kann beispielsweise durch Wägung des Fluids mittels eines Pyknometers erfolgen. Das Pyknometer dient der Darstellung eines präzise wiederholbaren Volumens des Fluids. Nach Wägung des leeren und des mit einem definierten Probevolumen des Fluids gefüllten Pyknometers kann die Dichte der Probe errechnet werden.
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zeigt die Abhängigkeit zwischen der von dem Kraftaufnehmer erfassten Signalstärke und der mit einer herkömmlichen Methode gemessenen Dichte (Konzentration) des Fluids in dem Messabschnitt zu verschiedenen Messzeitpunkten.
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Die in dargestellte Kalibrierfunktion zeigt einen linearen Zusammenhang zwischen der Dichte (Konzentration) und der zur Gewichtskraft proportionalen Signalstäke des Kraftaufnehmers.
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Anhand der zuvor im Wege der vorauseilenden Kalibrierung gewonnene Kalibrierfunktion lässt sich im regulären, anschließenden Messbetrieb aus der von dem Kraftaufnehmer erfassten Signalstärke die Dichte des Fluids fortlaufend ermitteln.
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Um die Übertragung von Kräften der übrigen Rohrleitung auf den Messabschnitt und damit auf den Kraftaufnehmer weitgehend zu vermeiden, wird der Messabschnitt der Rohleitung in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung von der übrigen Rohrleitung vorzugsweise elastisch entkoppelt. Die Entkopplung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Messabschnitt an beiden Enden über flexible, rohrförmige Abschnitte mit der übrigen Rohrleitung verbunden ist.
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Überraschend hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren nach vorrauseilender Kalibrierung eine genaue Messung der Dichte des strömenden Fluids auch in einem nicht entkoppelten Messabschnitt ermöglicht, wenn der Messabschnitt aufgrund seiner Biegesteifigkeit durch die Gewichtskraft elastisch verformbar ist. Die Biegesteifigkeit des Messabschnitts ist derart zu bestimmen, dass die Schwankungen der Gewichtskraft infolge von Dichteänderungen des Fluids eine elastische Verformung des Messabschnitts hervorrufen, die der Kraftaufnehmer aufgrund seiner gegebenen Empfindlichkeit erfassen kann.
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Um Verfälschungen der Messergebnisse in dem Messabschnitt zu vermeiden, erfolgen das Erfassen der Gewichtskraft und das Erfassen der Strömungsenergie zeitgleich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildung näher erläutert. Es zeigen
- die Abhängigkeit zwischen der Signalstärke des Kraftaufnehmers und der Dichte (Konzentration) des Fluids,
- eine Kalibrierfunktion, die den Zusammenhang zwischen der Dichte (Konzentration) des Fluids und der Signalstärke des Kraftaufnehmer beschreibt,
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren sowie,
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messeinrichtung zur Messung der Dichte eines strömenden Fluids in einer Rohrleitung (1). Die Rohrleitung (1) umfasst einen Messabschnitt (1a) mit konstantem Rohrquerschnitt und Volumen. Der Messabschnitt (1a) ist von der übrigen Rohrleitung (1) an beiden Enden über flexible rohrförmige Abschnitte (2) entkoppelt. Die übrige Rohrleitung (1) ist an den Lagern (8) fest eingespannt.
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Ein zur Erfassung der Gewichtskraft des Messabschnitts (1a) eingerichteter Kraftaufnehmer (5) ist in den Kraftfluss einer den Messabschnitt (1a) tragenden, höhenverstellbaren Halterung (6) eingebunden. Die Halterung (6) stützt den Messabschnitt (1a) an dessen Unterseite.
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Der Kraftaufnehmer (5) ist beispielsweise ein resistiver Kraftsensor dessen Signal sich abhängig von dem Gewicht des durch den Messabschnitt (1a) strömenden Fluids (3) ändert. Die Halterung (6) ist auf einem Kompensationselement (7) derart gelagert, dass auf den Messabschnitt (1a) wirkende Längs- und/oder Querkräften nicht auf dem Kraftaufnehmer (5) wirken. Das Kompensationselement (7) kann beispielsweise als ein x-y-Schlitten ausgeführt sein, auf dem die Halterung (6) angeordnet ist. Hierdurch ist der Kraftaufnehmer (5) in einer horizontalen Ebene unterhalb des Messabschnitts (1a) frei beweglich, sodass dieser ausschließlich mit der Gewichtskraft belastet wird.
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In dem Messabschnitt (1a) ist darüber hinaus eine Kraftmessvorrichtung (4) zur Erfassung der Strömungsenergie des Fluids angeordnet. Die Kraftmessvorrichtung weist einen Verformungskörper (4a) auf, der in das Innere (1b) des rohrförmigen Messabschnitts (1a) der Rohrleitung (1) hineinragt. Auf dem Verformungskörper (4a) ist vorzugsweise in einem geschützten Bereich außerhalb des Messabschnitts (1a) ein Dehnungsmessstreifen angeordnet, dessen Signale sich abhängig von der Strömungsenergie ändern. Der Verformungskörper (4a) besteht aus einem hoch verschleißfesten Material.
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Die Signale sowohl des Kraftaufnehmers (5) als auch der Kraftmessvorrichtung (4) werden einer in der nicht dargestellten Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist zum Ermitteln der Dichte des Fluids in dem Messabschnitt (1a) aus der von dem Kraftaufnehmer (5) erfassten Gewichtskraft anhand der in dargestellten Kalibrierfunktion eingerichtet. Weiter ist die Signalverarbeitungseinrichtung derart eingerichtet, um aus dem zur Strömungsenergie proportionalen Signal der Kraftmessvorrichtung (4) und der bekannten Dichte des Fluids dessen Strömungsgeschwindigkeit und aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Dichte den Massenstrom zu ermitteln.
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Die Messeinrichtung nach ist weitgehend übereinstimmend mit der Messeinrichtung nach aufgebaut. Übereinstimmende Bestandteile der Messeinrichtung sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Unterschiede ergeben sich hinsichtlich der Halterung (6) für den Messabschnitt (1a) sowie der Anordnung des Kompensationselements (7). Abweichend zu der Ausführungsform nach wird der Messabschnitt (1a) nicht durch eine als Rohrunterstützung ausgeführte Halterung (6), sondern durch eine als Rohraufhängung ausgeführte Halterung (6) gehalten. Im Kraftfluss der Rohraufhängung ist der Kraftaufnehmer (5) angeordnet.
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Die Signale sowohl des Kraftaufnehmers (5) als auch der Kraftmessvorrichtung (4) werden einer in der nicht dargestellten Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt.
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Die Signalverarbeitung entspricht der Signalverarbeitung der Messeinrichtung nach .
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrleitung
- 1a
- Messabschnitt
- 1b
- Innere
- 2
- flexibler Abschnitt
- 3
- Fluid
- 4
- Kraftmessvorrichtung
- 4a
- Verformungskörper
- 5
- Kraftaufnehmer
- 6
- Halterung
- 7
- Kompensationselement
- 8
- Lager
