DE102017002035B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit und der Größe von Defekten in einem strömenden Fluid - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Detektion von in einem strömenden Fluid (6) befindlichen Defekten (5) mit einer Defektvorderfront (DVF) und einer Defektrückfront (DRF) und zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit v_D und der Größe dieser Defekte (5), wobei das strömende Fluid (6) von einem senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten magnetischen Feld durchsetzt ist und für jeden Defekt (5) das Zeitintervall Δt₁ für die Verweildauer seiner Defektvorderfront (DVF) im Wirkbereich des magnetischen Feldes, das Zeitintervall Δt₂ zwischen dem Austritt seiner Defektvorderfront (DVF) und dem Austritt seiner Defektrückfront (DRF) aus dem Wirkbereich des magnetischen Feldes und die Amplitude eines resultierenden Signals Fres erfasst werden und die Defektanzahl, die Bewegungsgeschwindigkeit der Defekte v_D und deren Größe mit Hilfe der erfassten Werte und bekannter Parameter des magnetischen Feldes ermittelt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von Blasen, Partikeln oder Einschlüssen (im Folgenden als Defekt bezeichnet) in einem strömenden Fluid (Gas, Flüssigkeit oder Gemisch) und der Ermittlung von deren Geometrieparametern und Bewegungsgeschwindigkeit. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Größe und Anzahl von Defekten in Fluidströmungen in-situ zu ermitteln.
• Ein Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Strömungsmesstechnik für Mehrphasenströmungen. Mehrphasenströmungen treten in einer Vielzahl technischer Prozesse auf. Besonders hervorzuheben sind hierbei biotechnische, lebensmitteltechnische oder chemische Prozesse, von denen ein großer Anteil von disperser Natur ist. Bei vielen dieser Prozesse ist ein Kontakt des Messsystems mit dem strömenden Fluid aus technischen oder hygienischen Gründen nicht möglich.
  Ein weiteres, spezielleres Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung stellen sogenannte Schwallströmungen (engl.: slug flow) dar, wobei es sich dabei um größere Fluidblasen oder -tropfen handelt, die dispers in einer zusammenhängenden Phase verteilt sind. Die Strömung ist aperiodisch und instationär. Slugs können z. B. in Öl/Wasser-Pipelines auftreten, bei denen starke Slugs zur automatischen Notabschaltung von Maschinen oder Plattformen führen können.
  Ebenso treten diese Slugs in Wirbelschichten (engl.: fluidized beds) auf, wobei hierbei aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke besondere Anforderungen an die Messtechnik gestellt werden. In Reaktoren mit geringem Durchmesser können Partikel (Gruppe D, Durchmesser bis zu 6 cm) detektiert und vermessen werden. Diese Slugs können heftige und gefährliche Vibrationen in Rohrleitungen herbeiführen, insbesondere an Rohrbögen oder Fittings.
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene berührende und berührungslose Verfahren zur Messung von Mehrphasenströmungen bekannt. Dabei gehören zur berührungslosen Prüfung die Lorentzkraft-Anemometrie ( DE 10 2013 006 182 A1 ), bei der ein elektrisch leitfähiges strömendes Fluid einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit werden im Fluid Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme bewirken eine auf das Fluid wirkende Lorentz-Kraft, die wiederum eine gleich große, entgegengesetzt wirkende Kraft auf das magnetfelderzeugende System erzeugt.
  Diese Lorentz-Kraft wird auch in einem weiteren Verfahren, dem Lorentz-Kraft-Partikel-Analysegerät (LFPA) (X. Wang et al., „Lorentz force particle analyzer.“, Journal of Applied Physics, 2016, vol. 120, no. 1) genutzt. Dabei können nichtleitende Partikel, welche in einem elektrisch leitfähigen Fluid verteilt sind, gezählt und deren Größe gemessen werden. In der Publikation wird jedoch beschrieben, dass der Einsatz bei schwach leitfähigen Fluiden kraftmesstechnisch nicht zu bewerkstelligen ist.
  Darüber hinaus können Partikel mittels Lorentz-Kraft detektiert werden (A. Thess and T. Boeck, Electromagnetic Drag on a Magnetic Dipole Interacting With a Moving Electrically Conducting Sphere, IEEE Transactions on Magnetics, 2013, vol. 49, no.6), wobei wie beim LFPA-Verfahren mindestens eine Phase eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen muss.
  Ein weiteres berührungsloses Verfahren ist das Wirbelstromverfahren ( EP 1 933 129 B1 ). Hierbei induziert eine Senderspule in einer strömenden Flüssigkeit Wirbelströme. Elektrisch leitfähige Partikel verursachen Wirbelstromverluste die sich in einer messbaren Impedanzänderung der Spule niederschlagen.
  In der DE 10 2013 015 016 A1 ist ein optisches Verfahren beschrieben, mit dem mittels einer Detektoreinheit Partikel in einem partikelhaltigen Fluid gezählt werden. Verschiedene optische Verfahren benutzen Kameras um Partikelanzahl, -größe und -geschwindigkeit zu ermitteln.
  Jedoch weisen diese bekannten Verfahren mehrere schwerwiegende Nachteile auf: Bei der Lorentzkraft-Anemometrie, dem LFPA und beim Wirbelstromverfahren beschränkt sich das Anwendungsgebiet auf elektrisch leitfähige Fluide oder zumindest auf elektrisch leitfähige Partikel im Fluid. Alle optischen Verfahren setzen einen optischen Zugang zum Fluid voraus. Somit können Strömungen in optisch abgeschlossenen Kanälen oder opake Fluide nicht gemessen werden. Zudem müssen die Defekte optisch unterscheidbar (z. B. andersfarbig, fluoreszierend) zum Fluid sein.
• Eine weitere Möglichkeit Mehrphasenströmungen zu vermessen, ist die Magnetic Resonance Velocimetry (MRV). Grundlage hierfür ist die Magnetresonanztomographie, die primär im medizinischen Bereich angewendet wird, jedoch aufgrund der hohen Kosten nur sehr eingeschränkt zur Verfügung steht. Nachteil der MRV ist, dass die Technik auf periodische oder stationäre Fluidströmungen beschränkt ist und somit gerade für Schwallströmungen nicht geeignet ist.
• Alle weiteren nicht-invasiven Messverfahren, die jedoch Kontakt zur Kanalwand benötigen (bspw. Ultraschall oder akustische Verfahren), können nicht bei Fluiden und Kanalwandungen mit sehr hohen Temperaturen oder beim Auftreten von Vibrationen angewendet werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen es gelingt, in einem strömenden Fluid befindliche Defekte kontaktlos zu erkennen und deren Anzahl, Bewegungsgeschwindigkeit und Größe unabhängig von der Opazität, der elektrischen Leitfähigkeit der Partikel oder des Fluids und nicht-invasiv zu ermitteln. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe verfahrensseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des neunten Patentanspruchs. Zudem sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen 2 bis 8 und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Patentansprüchen 10 bis 12 angegeben.
• 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:
• 1 - typischerweise auftretendes Messsignal bei der Detektion eines in einem strömenden Fluid befindlichen Defektes
• 2- Prinzipskizze für ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
• 3- Prinzipskizze für ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
• Wie in 2 dargestellt, wird ein strömendes Fluid (6) in einem fluidführenden System (4) (Rohr, Kanal, Gerinne etc.) einem von einem magnetfelderzeugenden System (1) generierten Magnetfeld ausgesetzt.
  Passiert ein Defekt (5) das Magnetfeld, so wirkt auf diesen eine Kraft. Diese wird verursacht durch eine Flussdichteänderung, welche auf die unterschiedlichen magnetischen Suszeptibilitäten von Defekt und Fluid zurückzuführen ist und somit einen Gradienten des magnetischen Flusses erzeugt. Diese Gradientenkraft wirkt auf die Grenzfläche des Defekts und kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: $$F=-\frac{1}{2}A\frac{B^2}{{\mu }_0}\left({\mathrm{\chi }}_2-{\mathrm{\chi }}_1\right)$$

  

  wobei A die Grenzfläche des Defektes, B die magnetische Flussdichte, χ die magnetische Suszeptibilität der beiden Medien, und µ₀ die magnetische Feldkonstante sind.
• Eine betragsmäßig zu dieser Gradientenkraft gleich große Kraft wirkt in entgegengesetzter Richtung auf das magnetfelderzeugende System (1), welches ein Permanentmagnet (vorzugsweise ein Seltene-Erden-Magnet) oder eine stromdurchflossene Spule sein kann. Das vom magnetfelderzeugenden System (1) generierte Magnetfeld wird in Abhängigkeit von der anwendungsspezifischen Kanalgeometrie und den zu erwartenden Defektgrößen entsprechend ausgelegt.
• Die auf das magnetfelderzeugende System (1) wirkende Kraft wird mit einer Signalerfassungseinheit (Kraftmesssensor) (2) erfasst und einer Datenverarbeitungseinheit (3) zugeführt. In der Datenverarbeitungseinheit kann mit Hilfe der erfassten Kraft in einem folgenden Schritt die Anzahl, die Geschwindigkeit und die Größe der detektierten Defekte (5) ermittelt werden.
  Die Signalerfassungseinheit (2) kann dabei ein Piezo-Kraftsensor, welcher durch seine Bauart besonders für robuste und dynamische Anwendungen geeignet ist, oder eine elektromagnetische Kompensationswaage sein. Anwendungsspezifisch können aber auch andere Kraftmesssensoren selbstverständlich verwendet werden.
• Um die Geschwindigkeit v_D der detektierten Defekte, die jeweils eine Defektvorderfront (DVF) und eine Defektrückfront (DRF) aufweisen, zu ermitteln, wird das in 1 gezeigte Zeitintervall Δt₁ für die Verweildauer der Defektvorderfront (DVF) im Wirkbereich des Magnetfeldes erfasst. Mit der Kenntnis der räumlichen Dimensionierung des Magnetfeldes I_M in Strömungsrichtung (Wirkbereich des Magnetfeldes) und des Zeitintervalls Δt₁ kann die Geschwindigkeit v_D eines das Magnetfeld passierenden Defektes (5) berechnet werden: $${\text{v}}_{\text{DVF}}={\text{I}}_{\text{M}}/\Delta {\text{t}}_1$$

  
• Analog dazu lässt sich die Verweildauer Δt₃ der Defektrückfront (DRF) ermitteln und die Geschwindigkeit v_D des das Magnetfeld B passierenden Defektes (5) bestimmen: $${\text{v}}_{\text{DRF}}={\text{I}}_{\text{M}}/\Delta {\text{t}}_3$$

  

  wodurch eine Messgenauigkeitssteigerung des Verfahrens durch Mittelwertbildung von v_DVF und v_DRF realisiert werden kann.
• Außerdem kann eine mögliche Beschleunigung des das Magnetfeld passierenden Defektes (5) mit Kenntnis der beiden Geschwindigkeiten v_DVF und v_DRF berechnet werden.
• Mit Hilfe des Zeitintervalls Δt₂ (s. 1) zwischen dem Austritt der Defektvorderfront (DVF) und dem Austritt der Defektrückfront (DRF) des Defektes (5) aus dem Wirkbereich des magnetischen Feldes lässt sich wiederum seine Länge l_D in Strömungsrichtung ermitteln: $${\text{I}}_{\text{D}}={\text{v}}_{\text{D}}*\Delta {\text{t}}_2$$

  
• Der Betrag des Kraftpeaks (die Amplitude des resultierenden Signals) gibt wiederum Auskunft über die Größe der Grenzfläche A des Defektes (5), wenn die Flussdichte des Magnetfeldes sowie die magnetische Suszeptibilität des Fluids und des Defektes bekannt sind. Es lässt sich somit auf das Defektvolumen für Schwallströmungen, bei denen der Defekt die Kanalbreite ausfüllt, schlussfolgern.
  Für Defekte, welche kleiner als die Kanalbreite sind, müssen andere strömungsmechanische Kennzahlen verwendet werden, um das Defektvolumen zu bestimmen.
• Es liegt selbstverständlich auch im Bereich der Erfindung, mit einem senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Sensorarray die vertikale Auflösung zu verbessern.
• Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 dargestellt. Hierbei ist die Signalerfassungseinheit (2) ein magnetischer Flusssensor (7), mit dem die Änderung des magnetischen Flusses bei Ein- und Austritt der Defektvorder- und der Defektrückfront eines Defektes (5) in/aus den Wirkbereich des magnetischen Feldes direkt erfasst wird.
  Mit Kenntnis der Ausdehnung des Sensors entlang der Strömungsrichtung und der Zeitintervalle Δt₁ bzw. Δt₃ als Verweildauer der Defektvorder- und der Defektrückfront eines Defektes (5) im Wirkbereich des magnetischen Feldes lässt sich mit Hilfe der Datenverarbeitungseinheit (3) seine Bewegungsgeschwindigkeit v_D und auch die Länge des Defektes (5) in Strömungsrichtung bestimmen. Aus der absoluten Änderung des magnetischen Flusses (Amplitude des resultierenden Signals) kann bei bekannter Permeabilität des Fluids und des Defektes ebenso das Volumen des Defektes ermittelt werden. Mit Hilfe eines senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Sensorarray kann auch hier die vertikale Auflösung verbessert werden.
• Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch die Unabhängigkeit von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Fluide aus. Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht-invasiv und kontaktlos und nicht an die elektrische Leitfähigkeit des Fluids und/oder der Defekte gebunden. Es bedingt keine Mindestströmungsgeschwindigkeit, ist unabhängig von der Opazität des Fluids und hat darum einen sehr großen Anwendungsbereich (z. B. Messung bei sehr hohen Temperaturen und von aggressiven Fluiden möglich).
  Aufgrund der Verwendung robuster Messtechnik ist der Einsatz in messtechnisch anspruchsvoller Umgebung möglich. Die Ermittlung der Anzahl und Größe (Volumen) von Defekten ist inline und in Echtzeit möglich. Das Fluid und die Defekte müssen lediglich eine unterschiedliche magnetische Suszeptibilität aufweisen, was in der Praxis immer der Fall ist. Selbst wenn die magnetischen Suszeptibilitäten beider Medien nah beieinander liegen (z. B. Paraffinöl/Wasser), ist es mit gegenwärtig verfügbarer Kraftmesstechnik möglich, die Kraftpeaks im Messsignal aufzulösen.
• Durch umgekehrtes Anwenden des Verfahrens lassen sich mit Hilfe einstellbarer Flussdichtegradienten (z.B. Permanentmagnetanordnungen oder Spulensystem) Defekte in Fluiden manipulieren, sodass diese gesteuert, positioniert oder entfernt werden können. Weiterhin kann bei bekannter Geometrie des Defektes die Suszeptibilität des Fluids und/oder der Defekte ermittelt werden.
• Der Effekt lässt sich gleichfalls auf eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (berührungslose Detektion von para- und diamagnetischen Partikeln, Lunkern, offenen Poren, Rissen, Einschlüssen, Phasenänderungen) ausweiten. Durch mäanderförmiges Scannen eines Probekörpers lässt sich z.B. die Geometrie eines Defektes präzise ermitteln.
• Bezugszeichenliste

1 -

magnetfelderzeugendes System

2 -

Signalerfassungseinheit (z.B. Kraftmesssensor)

3 -

Datenverarbeitungseinheit

4 -

fluidführendes System (Rohr, Kanal, Gerinne oder dgl.)

5 -

Defekt (Blase, Partikel oder dgl.)

6 -

strömendes Fluid (Gas, Flüssigkeit, Gemisch)

7 -

magnetischer Flusssensor

Claims (12)

1. Verfahren zur Detektion von in einem strömenden Fluid (6) befindlichen Defekten (5) mit einer Defektvorderfront (DVF) und einer Defektrückfront (DRF) und zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit v_D und der Größe dieser Defekte (5), wobei das strömende Fluid (6) von einem senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichteten magnetischen Feld durchsetzt ist und für jeden Defekt (5) das Zeitintervall Δt₁ für die Verweildauer seiner Defektvorderfront (DVF) im Wirkbereich des magnetischen Feldes, das Zeitintervall Δt₂ zwischen dem Austritt seiner Defektvorderfront (DVF) und dem Austritt seiner Defektrückfront (DRF) aus dem Wirkbereich des magnetischen Feldes und die Amplitude eines resultierenden Signals Fres erfasst werden und die Defektanzahl, die Bewegungsgeschwindigkeit der Defekte v_D und deren Größe mit Hilfe der erfassten Werte und bekannter Parameter des magnetischen Feldes ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich für jeden Defekt (5) das Zeitintervall Δt₃ für die Verweildauer seiner Defektrückfront (DRF) im Wirkbereich des magnetischen Feldes erfasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit v_D der Defekte (5) aus zumindest einem der ermittelten Zeitintervalle Δt₁ oder Δt₃ und der Ausdehnung des Wirkbereiches des magnetischen Feldes in Strömungsrichtung I_M ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei mit Hilfe der Zeitintervalle Δt₁ und Δt₃ für jeweils einen Defekt (5) die Beschleunigung für diesen Defekt (5) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Länge l_D eines Defektes (5) in Strömungsrichtung aus seiner Bewegungsgeschwindigkeit v_D und seinem Zeitintervall Δt₂ und die Größe seiner Grenzfläche A aus der Amplitude des resultierenden Signals Fres und bekannten Parametern des magnetischen Feldes ermittelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das resultierende Signal F_res eine magnetische Gradientenkraft F_G ist, die bedingt durch die unterschiedlichen Suszeptibilitäten des strömenden Fluids (6) und der Defekte (5) bei deren Ein- und Austritt in den/aus dem Wirkbereich des magnetischen Feldes hervorgerufen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das resultierende Signal Fres eine Änderung der magnetischen Flussdichte ΔB_Fluss ist, die bei Ein- und Austritt eines Defektes (5) in den/aus dem Wirkbereich des magnetischen Feldes erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das resultierende Signal F_res berührungslos erfasst wird.
9. Vorrichtung zur Detektion von in einem strömenden Fluid (6) befindlichen Defekten (5) mit einer Defektvorderfront (DVF) und einer Defektrückfront (DRF) und zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit v_D und der Größe dieser Defekte (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung ein magnetfelderzeugendes System (1), eine Signalerfassungseinheit (2) und eine Datenverarbeitungseinheit (3), die dafür eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen, aufweist.
10. Vorrichtung zur Detektion von in einem strömenden Fluid (6) befindlichen Defekten (5) mit einer Defektvorderfront (DVF) und einer Defektrückfront (DRF) und zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit v_D und der Größe dieser Defekte (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung ein magnetfelderzeugendes System (1), eine Signalerfassungseinheit (2) und eine Datenverarbeitungseinheit (3), die dafür eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 6 auszuführen, aufweist und wobei die Signalerfassungseinheit (2) ein mit dem magnetfelderzeugenden System (1) gekoppelter Kraftmesssensor ist.
11. Vorrichtung zur Detektion von in einem strömenden Fluid (6) befindlichen Defekten (5) mit einer Defektvorderfront (DVF) und einer Defektrückfront (DRF) und zur Ermittlung der Anzahl, der Bewegungsgeschwindigkeit v_D und der Größe dieser Defekte (5) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung ein magnetfelderzeugendes System (1), eine Signalerfassungseinheit (2) und eine Datenverarbeitungseinheit (3), die dafür eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 7 auszuführen, aufweist und wobei die Signalerfassungseinheit (2) ein Flussdichtesensor ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Signalerfassungseinheit (2) eine Vielzahl von Kraft- oder Flussdichtesensoren umfasst, die arrayförmig und senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind.

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