DE102018127688A1

DE102018127688A1 - Vorrichtung zur Analyse eines Fluidstroms, sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102018127688A1
Application number: DE102018127688.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Fieback; Jens Rother
Original assignee: Rubolab GmbH
Current assignee: Rubolab GmbH
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: DE102018127688B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Analyse eines Fluidstroms (2), insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstrom (2), aufweisend einen Arbeitspfad (10), welcher von dem Fluidstrom (2) durchströmbar ist, und einen Messpfad (20) mit einem Zuführungsabschnitt (21.1), welcher mit dem Arbeitspfad (10) in Fluidkommunikation bringbar ist, wobei in dem Messpfad (20) ein Anströmelement (22) zum Stoffaustausch mit dem Fluidstrom (2) angeordnet ist. Former betrifft die Erfindung ein Verfahren (100) zum Analysieren eines Fluidstroms (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse eines Fluidstroms, insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstroms, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Analysieren eines Fluidstroms.
Um Fluidströme in Hinblick auf unterschiedliche Parameter, insbesondere hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit Feststoffen, zu untersuchen, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Um beispielsweise Luft auf Feinstaubwerte zu untersuchen, wird häufig ein Luftstrom erzeugt, welcher durch einen Filter geleitet wird. Dabei lagern sich Partikel in dem Filter ab, so dass aus der Menge der innerhalb einer bestimmten Zeit abgelagerten Partikel auf den Feinstaubgehalt der Luft geschlossen werden kann. Weitere Beispiele sind die Analyse der Feststoffaufnahme und -abgabe in einen Fluidstrom oder die Reaktion eines Feststoffes mit dem Fluidstrom.
Derartige Verfahren sind beispielsweise unter dem Namen „Tapered Element Oscillating Microbalance“ (TEOM) bekannt. Messvorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren sind ferner z.B. in der US 4 696 181 A offenbart.
Nachteilig bei bekannten Vorrichtungen ist es jedoch, dass der jeweilige Fluidstrom meist prozessunabhängig zentral im Labor untersucht wird und nach dem Durchströmen des Filters aus der Vorrichtung abgelassen wird, so dass das Fluid dem entsprechenden Prozess nicht weiter zur Verfügung steht. Beispielsweise bei Fluiden mit hohem Schadstoffgehalt müssen daher aufwendige Schadstofffilter oder spezielle Lagerbehälter nachgeschaltet werden. Ferner ist in den meisten Fällen eine komplexe, zusätzliche Messapparatur notwendig, um den Fluidmassenstrom zu bestimmen, welcher ggf. für die Bestimmung des massenstromabhängigen Stofftransports oder dergleichen erforderlich sein kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Analyse eines Fluidstroms, vorzugsweise im Labormaßstab, zu vereinfachen und/oder hinsichtlich des Informationsgehaltes des Analyseergebnisses zu verbessern.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Analyse eines Fluidstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Analysieren eines Fluidstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Analyse eines Fluidstroms, insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstroms, einen Arbeitspfad auf, welcher von dem Fluidstrom durchströmbar ist. Ferner weist die Vorrichtung einen Messpfad mit einem Zuführungsabschnitt auf, wobei der Zuführungsabschnitt mit dem Arbeitspfad in Fluidkommunikation bringbar ist. In dem Messpfad ist ein Anströmelement zum Stoffaustausch mit dem Fluidstrom angeordnet. Ferner ist der Messpfad mit dem Anströmelement durch ein Oszillationsmittel zumindest bereichsweise in eine erste Schwingung versetzbar. Weiterhin weist die Vorrichtung eine erste Messeinheit auf, durch welche die erste Schwingung zur Analyse des Fluidstroms erfassbar ist. Der Messpfad weist einen Rückführungsabschnitt auf, der mit dem Arbeitspfad in Fluidkommunikationsverbindung bringbar ist, so dass der Fluidstrom zumindest teilweise in den Arbeitspfad rückführbar ist.
Insbesondere kann es sich somit bei der Vorrichtung somit um eine Analysevorrichtung und/oder Messvorrichtung handeln. Ferner handelt es sich bei der Vorrichtung vorzugsweise um ein Laborgerät. Die Analyse des Fluidstroms kann insbesondere eine Analyse der Stoffmenge umfassen, welche sich im Anströmelement ansammelt oder vom Fluidstrom aufgenommen wurde. Der Stoffaustausch kann beispielsweise eine Aufnahme und/oder Abgabe von Partikeln und/oder Molekülen des Fluidstroms oder des Anströmelementes umfassen. Insbesondere kann die Vorrichtung somit zur Analyse des Fluidstroms hinsichtlich eines Stoffübergangs zwischen dem Fluidstrom und einem Feststoff oder einer Flüssigkeit vorgesehen sein. Vorzugsweise wird das Anströmelement von dem Fluidstrom angeströmt, insbesondere durchströmt, um den Stoffaustausch zu ermöglichen. Das Anströmelement kann insbesondere auch als Filterelement bezeichnet werden. Der Arbeitspfad kann vorzugsweise Teil der Prozessumgebung sein. Insbesondere kann der Arbeitspfad ein Prozessrohr umfassen, in welchem ein Fluid des Fluidstroms geführt wird. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gemisch handeln. Insbesondere kann das Fluid z.B. Luft, Abgase, insbesondere Dieselabgase, Prozessgase oder dergleichen umfassen. Der Messpfad kann ferner ein Führungsmittel, insbesondere ein Führungsrohr, zum Führen des Fluides umfassen. Zum Herstellen der Fluidkommunikation zwischen dem Arbeitspfad und dem Zuführungsabschnitt und/oder dem Rückführungsabschnitt des Messpfades kann zumindest ein Ventil vorgesehen sein, durch welches in geöffneter Stellung der Fluidstrom aus dem Arbeitspfad in den Messpfad und/oder aus dem Messpfad in den Arbeitspfad strömen kann. Ferner kann der Arbeitspfad ständig mit dem Messpfad in Fluidkommunikationsverbindung stehen oder der Messpfad kann mit dem Arbeitspfad durch einen Durchlass mit dem Arbeitspfad in Fluidkommunikationsverbindung stehen. Insbesondere kann der Messpfad in den Arbeitspfad integriert sein.
Beim Stoffaustauschkönnen vorzugsweise Gasteilchen, Mikropartikel und/oder Nanopartikel, insbesondere Feinstaub, zwischen dem Fluidstrom und dem Anströmelement austauschbar sein. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Feststoffe handeln, welche im Fluidstrom mitgeführt werden. Die erste Schwingung kann vorzugsweise eine Biegeschwingung sein. Insbesondere können der Rückführungsabschnitt und der Zuführungsabschnitt parallel oder im Wesentlichen parallel ausgerichtet sein. Die erste Schwingung kann dabei vorteilhafterweise senkrecht zu einer ersten Ebene ausbildbar sein, in welcher der Rückführungsabschnitt und der Zuführungsabschnitt liegen. Die erste Messeinheit kann insbesondere zum Erfassen eines Schwingungsparameters, vorzugsweise einer Schwingungsfrequenz, der ersten Schwingung ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich bei der zu erfassenden Schwingungsfrequenz um eine Eigenfrequenz zumindest eines Teils der Vorrichtung, insbesondere des Messpfades und/oder des Anströmelementes, handeln. Das Oszillationsmittel ist ferner insbesondere dazu ausgebildet zumindest den Bereich des Messpfades zum Schwingen zu bringen, in welchem sich das Anströmelement befindet. Durch die Erfassung der ersten Schwingung, insbesondere einer Frequenz und/oder einer Amplitude der ersten Schwingung, kann während einer Strömung des Fluidstroms auf die Änderung der Masse des Anströmelementes, z.B. durch die abgelagerte Menge von Partikeln im Anströmelement, und/oder auf die vom Fluidstrom aus dem Anströmelement aufgenommene Stoffmenge geschlossen werden, ohne dass beispielsweise eine Waage erforderlich ist. Dadurch können weitere Einflüsse auf das Fluid, z.B. Ad- und Desorptionsraten, Reaktionskinetiken und/oder eine Sättigung des Anströmelementes in Bezug auf den Fluidstrom, mittels der Vorrichtung untersuchbar sein. Insbesondere können dadurch hochfeine Messergebnisse und damit auch geringe Massenänderungen erfassbar sein. Ferner kann die Analyse berührungslos durchführbar sein, so dass das Fluid und das Anströmelement während der Analyse vollständig in der Vorrichtung verbleiben können.
Durch die Verbindung des Messpfades mit dem Arbeitspfad und insbesondere durch die Rückführungsmöglichkeit des Fluidstroms zurück in den Arbeitspfad ist eine probennahmefreie Untersuchung von Wechselwirkungen eines Fluidstroms mit dem Anströmelement möglich. Ferner kann durch die Rückführung des Fluidstroms in den Arbeitspfad eine Weiterverwendung des Fluides innerhalb des jeweiligen Prozesses ermöglicht werden. Ferner kann es sich bei dem Arbeitspfad auch um einen Teil einer Laborausstattung handeln, so dass durch die Rückführung beispielsweise ein Kreislauf innerhalb der Vorrichtung ausgebildet sein kann. Ferner kann die Änderung des Feststoffgehalts im Fluidstrom erfassbar sein, vorzugsweise wobei eine Rückführung des Fluidstromes in den Prozess erfolgt. Besonders bevorzugt kann ein Massenanalysator als Bestandteil des Prozess-Kreislaufes und/oder als in den Prozess integrierte Rohrschleife ausgebildet sein. Zu Vermeidung teurer Technikumsanlagen kann daher der zu untersuchende Prozess teilweise oder vollständig im Labormaßstab abgebildet sein. Hierbei kann der Fluidstrom vorzugsweise im Kreislauf geführt werden, um beispielsweise neben der Stoffaufnahme auch die Regeneration desselben zu erfassen. Insbesondere kann es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit um eine Laborvorrichtung, vorzugsweise ein sog. „Mini-Plant“, handeln. Somit kann speziell eine Untersuchung von Prozessen im Labormaßstab mit der Miniplant Technologie deutlich verbessert sein.
Vorzugsweise kann das Anströmelement ein Festbett in Form eines porösen Mediums und/oder einer Schüttung aufweisen. Das poröse Medium kann vorteilhafterweise einen, vorzugsweise hochporösen, Feststoff aufweisen, welcher ein Porengeflecht umfasst, durch welches der Fluidstrom hindurchströmen kann. Poröse Feststoffe weisen eine große, insbesondere innere, Oberfläche auf, an welcher Wechselwirkungen mit der fluiden Phase bzw. darin enthaltenen Partikeln auftreten. Die Schüttung kann vorzugsweise einen Feststoff aufweisen, welcher mit einer Vielzahl von Körnern schüttfähig ist. Zwischen Körnern der Schüttung können Freiräume ausgebildet sein, durch welche der Fluidstrom hindurchströmen kann. Insbesondere kann der Feststoff der Schüttung staubartig und/oder pulverartig vorliegen. Je nach Feinheit der einzelnen Körner und/oder Poren können unterschiedliche Adsorptionsgrade von Partikeln aus dem Fluidstrom erreichbar sein. Somit kann auf einfache Art und Weise die Massenaufnahme und -abgabe aus oder in den Fluidstrom steuerbar sein, um beispielsweise unterschiedliche Untersuchungen anstellen zu können.
Im Rahmen der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Anströmelement als modularer Einsatz ausgebildet ist, so dass das Anströmelement, insbesondere zur Untersuchung unterschiedlicher Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen, austauschbar ist. Der Alternativfilter kann beispielsweise ein zum ursprünglichen Anströmelement unterschiedliches Festbett aufweisen. Dadurch können z.B. die Auswirkungen unterschiedlicher Materialien des Anströmelementes auf die Stoffaufnahme oder -abgabe untersuchbar sein. Insbesondere kann die Vorrichtung durch die modulare Ausbildung des Anströmelementes nach Abschluss einer Analyse schnell für eine Folgeanalyse vorbereitet werden. Der modulare Einsatz kann dazu einen Rahmen aufweisen, welcher korrespondierend zu einem Bereich des Messpfades ausgebildet ist. Ferner kann der modulare Einsatz vorteilhafterweise ein Rastmittel aufweisen, welches mit einem Gegenrastmittel des Messpfades in Wirkverbindung bringbar ist. Insbesondere kann das als Anströmelement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig in dem Messpfad anordbar sein, um beim Austausch eine einfache Befestigungsmöglichkeit zu gewährleisten. Somit kann das Anströmelement in einfacher Art und Weise austauschbar sein.
Es ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ferner denkbar, dass der Messpfad zumindest ein Federelement aufweist, durch welches der Messpfad mit dem Arbeitspfad schwingfähig verbunden ist, insbesondere wobei das Federelement einen Teil des Messpfades und/oder des Arbeitspfades ausbildet. Durch das Federelement kann der Messpfad zumindest teilweise vom Arbeitspfad entkoppelt sein. Vorteilhafterweise kann das Federelement ein Elastomer oder ein Metall aufweisen. So kann das Federelement z.B. ein Berylliumkupfer, vorzugsweise CuBe2, insbesondere mit einer hohen chemischen Widerstandsfähigkeit, aufweisen. Dadurch kann ein anderer Teil des Messpfades starr ausgeführt sein, so dass für den starren Teil des Messpfades eine Materialauswahl flexibler sein kann. Insbesondere kann der starre Teil des Messpfades ein hochfestes Rohr aufweisen, welches korrosionsbeständig, druckfest und/oder temperaturfest ist und während der Analyse keiner oder kaum Verformungen unterliegt. Unter der Schwingfähigkeit des Messpfades zum Arbeitspfad kann vorteilhafterweise verstanden werden, dass der Messpfad zumindest bereichsweise eine Relativschwingung zum Arbeitspfad durchführen kann. Um einen Teil des Messpfades und/oder des Arbeitspfades auszubilden kann das Federelement ein Rohrstück aufweisen. Vorzugsweise können zwei Federelemente vorgesehen sein, insbesondere wobei eines der Federelemente einen Teil des Zuführungsabschnittes und eines der Federelemente einen Teil des Rückführungsabschnittes bildet. Zusätzlich oder alternativ kann der gesamte Messpfad als Federelement ausgeführt sein. So ist es denkbar, dass der Messpfad ein Rohr aufweist, welches dünnwandig und/oder aus einem elastischen Material, wie einem Elastomer oder einem elastischen Metall, wie z.B. Kupfer oder einer Kupferlegierung, ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass das Oszillationsmittel einen Erregermagneten zum magnetischen Erzeugen der ersten Schwingung umfasst. Durch den Erregermagneten kann die erste Schwingung berührungslos in den Messpfad einbringbar sein. Der Erregermagnet kann vorzugsweise durch einen Wechselstrom betreibbar sein, wobei durch den Erregermagneten wechselnde magnetische Felder erzeugbar sein können. Somit kann in einfacher Art und Weise die erste Schwingung mit einer hohen Genauigkeit anregbar sein. Ferner kann der Erregermagnet durch ein Steuergerät ansteuerbar sein und/oder in einen Regelkreis eingebunden sein. Dadurch kann die erste Schwingung automatisiert erzeugbar sein. Ferner können durch den Erregermagneten eine Amplitude und/oder eine Frequenz der ersten Schwingung beeinflussbar und/oder regelbar sein. Insbesondere kann der Messpfad somit zumindest abschnittsweise durch den Erregermagneten zu einer Oszillation anregbar sein.
Im Rahmen der Erfindung ist es ferner denkbar, dass die erste Messeinheit einen optischen, magnetischen, kapazitiven und/oder induktiven Sensor zum Erfassen der ersten Schwingung aufweist. Dadurch kann eine berührungslose Erfassung der ersten Schwingung ermöglicht sein, insbesondere so dass ein Eingriff in das System für die Analyse des Fluidstroms nicht notwendig ist. So kann der Sensor vorteilhafterweise eine Kamera, einen Magnetfeldsensor oder dergleichen umfassen, um einen ersten Parameter der ersten Schwingung bzw. des Messpfades, beispielsweise eine Auslenkung und/oder eine Frequenz, zu erfassen. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung der ersten Schwingung erzielt werden, so dass selbst geringe Stoffmengen bzw. geringe Änderungen einer Stoffmenge erfassbar sein können. Bei einem optischen Sensor kann beispielsweise ein Signalgeber, der am Messpfad angebracht ist, entfallen. Dadurch kann der optische Sensor separat von dem Messpfad ausgebildet sein. Magnetische, kapazitive und induktive Sensoren haben ferner den Vorteil, dass diese kostengünstig sein können und insbesondere eine hohe Toleranz gegenüber Verschmutzungen aufweisen können.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung das Anströmelement und/oder der Messpfad durch eine Temperiereinheit temperierbar sein. Dadurch kann das Verhalten des Fluidstroms und/oder des Anströmelementes bei unterschiedlichen Temperaturen mittels der Vorrichtung untersuchbar sein. Die Temperiereinheit kann ein Heizmittel und/oder ein Kühlmittel, vorzugsweise eine Kombination aus beidem, umfassen. Vorzugsweise kann die Temperiereinheit als Ofen ausgebildet sein und den Messpfad zumindest bereichsweise umschließen. Durch die Temperiereinheit kann der Fluidstrom im Bereich des Anströmelementes und/oder das Anströmelement beispielsweise zwischen - 196°C und 1000°C temperierbar sein, um die Messbedingungen für die Analyse des Fluidstroms einzustellen. Insbesondere kann eine Gasdosier- und Druckregeleinheit vorgesehen sein, durch welche komprimierte Fluidströme, vorzugsweise aus Fluidgemischen, erzeugbar und unter Druck durch das Anströmelement leitbar sein können.
Weiterhin kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Messpfad und/oder das Anströmelement durch einen Druckerzeuger mit einem Druck beaufschlagbar ist, insbesondere wobei der Druck größer als 1 atm, vorzugsweise größer als 1 atm und kleiner als 500 bar, besonders bevorzugt größer als 1 atm und kleiner als 200 bar, ist. Bei dem Druckerzeuger kann es sich beispielsweise um eine Pumpe oder dergleichen handeln. Unter der Bezeichnung „atm“ kann vorzugsweise der Atmosphärendruck oder Umgebungsdruck verstanden werden. Somit kann der Druckerzeuger Teil eines Druckregelsystems der Vorrichtung sein. So können einzelne Bauteile abgedichtet sein, um einen Druckaufbau im Messpfad zu ermöglichen. Ferner kann der Messpfad und/oder der Arbeitspfad Ventile aufweisen, um den Fluidstrom zu steuern bzw. zu regeln. Dadurch kann beispielsweise ein Staudruck im Messpfad aufbaubar sein. Im Gegensatz zu einem offenen System kann die Rückführungsmöglichkeit des Rückführungsabschnitts den Vorteil bieten, dass ein zum Umgebungsdruck unterschiedlicher Druckaufbau insbesondere im Vergleich zu ermöglicht ist. Somit kann der Messpfad zum Einsatz bei Hochdruckbedingungen geeignet sein.
Im Rahmen der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass eine zweite Messeinheit vorgesehen ist, durch welche eine zweite Schwingung des Messpfades zur Analyse des Fluidstroms erfassbar ist, insbesondere wobei es sich bei der zweiten Schwingung um eine Torsionsschwingung handelt, vorzugsweise so dass eine Bestimmung eines Fluidmassenstroms in Abhängigkeit von einer Coriolis-Kraft ermöglicht ist. Durch die Erfassung der zweiten Schwingung kann die Analyse des Fluidstroms in Bezug auf den Informationsgewinn weiter verbessert sein. Insbesondere kann die zweite Schwingung aufgrund einer Coriolis-Kraft bei Durchströmung des Messpfades durch den Fluidstrom hervorgerufen sein. Wenn der Zuführungsabschnitt und der Rückführungsabschnitt durchströmt werden, kann somit insbesondere bei Vorhandensein der ersten Schwingung die Coriolis-Kraft wirken und der Messpfad kann tordiert werden. Durch die Erfassung der zweiten Schwingung, d.h. insbesondere die entstehende Torsionsschwingung, kann ein weiterer Parameter, insbesondere die Massenströmung, des Fluidstroms ermittelbar sein.
Vorzugsweise ist es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ferner denkbar, dass die zweite Messeinheit zumindest einen Sensor zum Erfassen der zweiten Schwingung, insbesondere eines zweiten Parameters der zweiten Schwingung, aufweist, insbesondere wobei zumindest ein Permanentmagnet am Messpfad angeordnet ist. Bei dem Sensor zum Erfassen der zweiten Schwingung kann es sich beispielsweise um einen Torsionsaufnehmer handeln. Vorzugsweise können zwei Permanentmagneten vorgesehen sein, wobei einer der Permanentmagneten am Zuführungsabschnitt und einer der Permanentmagneten am Rückführungsabschnitt des Messpfades angeordnet ist. Dadurch können für diese Abschnitte des Messpfades die Auslenkungen erfasst werden, so dass aus den Auslenkungen, insbesondere aus der Differenz der Auslenkungen, der zweite Parameter, insbesondere eine Amplitude und/oder eine Frequenz der zweiten Schwingung, ermittelbar sein kann. Dadurch kann in einfacher Art und Weise die Erfassung der zweiten Schwingung insbesondere unabhängig von der Erfassung der ersten Schwingung realisiert sein.
Ferner ist es bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar, dass der Messpfad einen Umlenkabschnitt aufweist, welcher den Zuführungsabschnitt und den Rückführungsabschnitt verbindet, insbesondere wobei das Anströmelement in dem Umlenkabschnitt angeordnet ist und/oder der Messpfad zumindest bereichsweise u-artig oder u-förmig ausgebildet ist. Insbesondere kann der Umlenkabschnitt zwischen dem Zuführungsabschnitt und dem Rückführungsabschnitt angeordnet sein. Dabei kann durch den Zuführungsabschnitt, den Umlenkabschnitt und den Rückführungsabschnitt eine U-Form des Messpfades ausgebildet sein. Die Anordnung des Anströmelementes im Umlenkabschnitt stellt eine definierte Positionierung des Anströmelementes in Bezug auf die erste und/oder zweite Schwingung dar. Somit kann das Anströmelement beispielsweise in einem Scheitelpunkt des Messpfades angeordnet sein. Dadurch kann die Amplitude und/oder die Frequenz der ersten und/oder zweiten Schwingung in Bezug auf das Anströmelement mit hoher Genauigkeit bestimmbar sein. Durch die u-artige Ausbildung des Messpfades kann ferner das Auftreten der Coriolis-Kraft und damit das Hervorrufen der zweiten Schwingung begünstigt sein. Ferner kann sich eine u-artige Ausbildung positiv auf Strömungseigenschaften des Fluidstroms im Messpfad auswirken. Insbesondere kann durch die u-artige Form ein Einsatz der Vorrichtung als Biegeschwinger zur Dichtemessung des Fluidstroms ermöglicht sein.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin eine Steuereinheit vorgesehen sein, durch welche die erste und/oder zweite Schwingung, insbesondere auf Grundlage des Sensors der ersten und/oder zweiten Messeinheit, auswertbar ist. Die Steuereinheit kann Teil der ersten und/oder der zweiten Messeinheit sein oder als zentrales Steuergerät der Vorrichtung ausgebildet sein. Durch die Steuereinheit können die erste und/oder zweite Schwingung automatisch auswertbar sein, so dass beispielsweise ein Ausgabewert der Steuereinheit einen Parameter des Fluidstroms und/oder des Anströmelementes umfasst. Dadurch kann ein Komfort bei der Informationsgewinnung durch die Vorrichtung verbessert sein. Ferner kann durch die Steuereinheit beispielsweise Messfehler zumindest teilweise bestimmbar und/oder herausrechenbar sein. Insbesondere können die erste und/oder zweite Messeinheit durch die Steuereinheit kalibrierbar sein, so dass die Genauigkeit der Analyse des Fluidstroms individuell verbesserbar sein kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Analysieren eines Fluidstroms, insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstroms, in einer Vorrichtung beansprucht. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung um eine erfindungsgemäße Vorrichtung handeln. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Leiten des Fluidstroms von einem Arbeitspfad in einen Messpfad, so dass der Fluidstrom ein Anströmelement zum Stoffaustausch mit dem Fluidstrom zumindest teilweise durchströmt, wobei das Anströmelement in dem Messpfad angeordnet ist,
- Einbringen einer ersten Schwingung in den Messpfades,
- Erfassen der ersten Schwingung,
- Bestimmen eines ersten Parameters des Fluidstroms in Abhängigkeit von der ersten Schwingung,
- Rückführen des Fluidstroms vom Messpfad in den Arbeitspfad.

Das Leiten des Fluidstroms vom Arbeitspfad in den Messpfad kann vorzugsweise durch ein Ventil und/oder eine Rohrleitung durchgeführt werden. Die erste Schwingung kann vorzugsweise als Biegeschwingung in den Messpfad eingebracht werden. Vorteilhafterweise kann die erste Schwingung in einer ersten Ebene schwingen, in welcher der Fluidstrom in den Messpfad hineinströmt und in welcher der Fluidstrom aus dem Messpfad herausströmt, und/oder in einer zweiten Ebene, die senkrecht zur ersten Ebene ist. Vorzugsweise kann der Fluidstrom beim Einströmen in den Messpfad und bei der Rückführung in den Arbeitspfad zumindest teilweise entgegengesetzt parallel verlaufen. Das Bewerten des Fluidstroms in Abhängigkeit der ersten Schwingung kann vorzugsweise ein Errechnen des ersten Parameters des Fluidstroms aus einem Parameter der ersten Schwingung umfassen. Insbesondere kann der erste Parameter die Frequenz der ersten Schwingung umfassen. Dadurch kann beispielsweise die Masse des Anströmelementes durch einen Vergleich mit einer Referenzfrequenz und/oder einer Referenzmasse bestimmt werden. Somit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind.
Ferner ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren denkbar, dass zumindest einer der folgenden Schritte vorgesehen ist:

- Temperieren des Anströmelementes und/oder des Messpfades,
- Druckbeaufschlagung des Anströmelementes, des Fluidstromes und/oder des Messpfades.

Durch das Temperieren können vorteilhafte Temperaturen erreicht werden. So ist es denkbar, dass das Tempieren ein Erhitzen oder ein Abkühlen des Anströmelementes und/oder des Messpfades umfasst. Beispielsweise kann der Fluidstrom und/oder das Anströmelement zwischen -196°C und 1000°C oder höher temperiert werden, um die Messbedingungen für die Analyse des Fluidstroms, insbesondere automatisch, einzustellen, so dass sich die Temperierung positiv auf reproduzierbare Analyseergebnisse auswirken kann. Die Druckbeaufschlagung kann insbesondere ein Erzeugen eines Druckes oberhalb des Atmosphärendruckes umfassen. Durch die Druckbeaufschlagung können Prozesse im Labor abgebildet und untersucht werden, die oberhalb des Umgebungsdruckes durchgeführt werden. Insbesondere können dadurch Hochdruckprozesse bis ca. 500 bar untersuchbar sein.
Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Erfassen einer zweiten Schwingung des Messpfades, insbesondere wobei die zweite Schwingung eine Torsionsschwingung ist,
- Bestimmen eines zweiten Parameters des Fluidstroms in Abhängigkeit von der zweiten Schwingung.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Draufsicht in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2: die erfindungsgemäße Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in schematischer geschnittener Teilansicht,
3: die erfindungsgemäße Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in einer weiteren schematischen Ansicht,
4: eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Perspektivansicht in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5: ein Anströmelement für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Ansicht in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6: ein erfindungsgemäßes Verfahren in schematischer Darstellung der Verfahrensschritte in einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Analyse eines Fluidstroms 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel in schematischer Ansicht. Die Vorrichtung 1 weist einen Arbeitspfad 10 auf, welcher mit einem Zuführungsabschnitt 21.1 in Fluidkommunikationsverbindung steht. Durch den Zuführungsabschnitt 21.1 ist der Fluidstrom 2 zumindest teilweise entlang einer Zuführrichtung 11 leitbar. Durch den Zuführungsabschnitt 21.1 kann ein Fluidstrom 2 vom Arbeitspfad 10 in den Messpfad 20 geleitet werden. Vorzugsweise umfasst der Arbeitspfad 10 Prozessrohre, in welchen ein Fluid des Fluidstroms 2 führbar ist. Im Messpfad 20 ist ferner ein Anströmelement 22 angeordnet, welches zum Stoffaustausch, d.h. insbesondere zur Stoffaufnahme und/oder Stoffabgabe, mit dem Fluidstrom 2 geeignet ist. Insbesondere weist das Anströmelement 22 dazu ein Festbett 22.1 auf, wobei das Festbett 22.1 ein poröses Medium und/oder eine Schüttung umfasst, deren Massenänderung ermittelbar ist. Das Anströmelement 22 ist dabei in einem Umlenkabschnitt 21.2 des Messpfades 20 angeordnet, welcher eine Verbindung zwischen dem Zuführungsabschnitt 21.1 und einem Rückführungsabschnitt 21.3, welcher eine Rückführrichtung 12 des Fluidstroms 2 vorgibt, des Messpfades 20 bildet. Zusätzlich oder alternativ kann das Anströmelement 22 beispielsweise zumindest teilweise im Zuführungsabschnitt 21.1 und/oder im Rückführungsabschnitt 21.3 angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Zuführrichtung 11 entgegengesetzt parallel zur Rückführrichtung 12 verlaufen. Insbesondere ist der Messpfad 20 u-artig ausgebildet, wobei das Anströmelement 22 in einem Scheitelpunkt des u-artigen Verlaufs des Messpfades 20 angeordnet ist. Der Rückführungsabschnitt 21.3 steht ferner ebenfalls mit dem Arbeitspfad 10 in Fluidkommunikationsverbindung, so dass der Fluidstrom 2 zumindest teilweise zurück in den Arbeitspfad 10 geleitet werden kann. Dadurch kann das Fluid des Fluidstroms 2 nach der Analyse weiterverwendet werden. Insbesondere ist es durch die Rückführung möglich, den Fluidstrom 2 in einem geschlossenen Kreislauf zu führen und dadurch Prozesse umfangreich im Labor abzubilden. Zur Analyse des Fluidstroms 2 weist die Vorrichtung 1 weiterhin ein Oszillationsmittel 26 auf, durch welches der Messpfad 20, insbesondere der Umlenkabschnitt 21.2 des Messpfades 20, mit dem Anströmelement 22 in eine erste Schwingung 201 versetzbar ist. Die erste Schwingung 201 umfasst insbesondere eine Biegeschwingung, welche im Wesentlichen in einer ersten Ebene verläuft, in welcher der Zuführungsabschnitt 21.1 und der Rückführungsabschnitt 21.3 angeordnet sind. Ferner kann die erste Schwingung 201 eine Biegeschwingung umfassen, welche senkrecht zur ersten Ebene ist. Um eine Relativbewegung, wie die erste Schwingung 201, zu ermöglichen ist der Messpfad 20 über Federelemente 23 mit dem Arbeitspfad 10 schwingfähig verbunden. Die Federelemente 23 sind als Teil des Messpfades 20 ausgebildet und umfassen Rohrstücke, welche ein elastischeres Material aufweisen, als ein starrer Teil des Messpfades 20, durch welchen beispielsweise der Umlenkabschnitt 21.2 gebildet ist. Insbesondere weisen die Federelemente 23 Berylliumkupfer, hochfeste Sonderlegierungen und/oder ein Elastomer auf, um eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber reaktiven Fluiden zu gewährleisten. Um die erste Schwingung 201 zu erzeugen weist das Oszillationsmittel 26 einen Erregermagneten 26.1 zum magnetischen Erzeugen der ersten Schwingung 201 auf. Durch wechselnde magnetische Felder, welche insbesondere durch einen Wechselstrom erzeugbar sind, kann über den Erregermagneten 26.1 eine Auslenkung des Messpfades 20 in unterschiedliche Richtungen hervorgerufen werden. Dazu kann der Messpfad 20 einen Permanentmagneten (nicht dargestellt) aufweisen oder zumindest teilweise aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material ausgebildet sein. Ferner kann der Erregermagnet 26.1 auch am Messpfad 20 angeordnet sein und mit einem starren magnetischen oder magnetisierbaren Anziehungs- bzw. Abstoßungspunkt außerhalb des Messpfades 20 wirken. Um die erste Schwingung 201 erfassen zu können, umfasst die erste Messeinheit 30 einen Sensor 31, der zur optischen, magnetischen, kapazitiven und/oder induktiven Erfassung einer Auslenkung des Messpfades 20 aufgrund der ersten Schwingung 201 ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Schwingung 201 um eine Eigenfrequenz des Messpfades 20 mit dem Anströmelement 22. Je nach Auslenkung und/oder Frequenz der ersten Schwingung 201 kann dadurch auf eine Masse oder Massenänderung des Anströmelementes 22 oder, beispielsweise bei konstanter Masse des Anströmelementes, auf eine Dichteänderung des Fluidstromes geschlossen werden. Dies lässt einen Rückschluss auf die aufgenommene Stoffmenge des Anströmelementes 22 oder des Fluidstroms 2 zu, welches vom Fluidstrom 2 durchströmt wird. Insbesondere kann die Analyse des Fluidstroms 2 dabei während des Durchströmens des Fluidstroms 2 durch den Messpfad 20 und das Anströmelement 22 erfolgen. Um die prozessrelevanten Messbedingungen des Fluidstroms 2 und/oder des Anströmelementes 22 einzustellen ist eine Temperiereinheit 24 vorgesehen, durch welche eine Temperatur einstellbar ist. Vorzugsweise kann die Temperiereinheit 24 ein Kühlmittel oder ein Heizmittel, insbesondere einen Ofen, umfassen. Ferner ist der Messpfad 20 und/oder das Anströmelement 22 durch einen Druckerzeuger 27 mit einem Druck beaufschlagbar, insbesondere wobei der Druck größer als der Umgebungsdruck, vorzugsweise größer als der Umgebungsdruck und kleiner als 500 bar, besonders bevorzugt größer als der Umgebungsdruck und kleiner als 200 bar, ist. Somit können unterschiedliche prozessrelevante Betriebstemperaturen des Fluidstroms 2 im Bereich des Anströmelementes 22 herstellbar sein.
2 zeigt ferner eine teilweise Schnittansicht der Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung. Der dargestellte Schnitt verläuft dabei durch den Messpfad 20, so dass der Zuführungsabschnitt 21.1 und der Rückführungsabschnitt 21.3 geschnitten dargestellt sind. Dadurch, dass der Zuführungsabschnitt 21.1 und der Rückführungsabschnitt 21.3 zumindest teilweise eine Strömung des Fluidstroms 2 in entgegengesetzter Richtung ermöglichen, kann bei Durchströmung des Messpfades 20 durch den Fluidstrom 2 eine Coriolis-Kraft wirken, welche eine zweite Schwingung 202, insbesondere in Form einer Torsionsschwingung, des Messpfades 20 bewirkt. Dabei schwingt der Zuführungsabschnitt 21.1 mit einer ersten Schwingungsamplitude 202.1 der zweiten Schwingung 202 und der Rückführungsabschnitt 21.3 mit einer zweiten Schwingungsamplitude 202.2, wobei die erste und die zweite Schwingungsamplitude 202.1, 202.2 einander entgegengesetzt sind. Dadurch kommt die zweite Schwingung 202 als Torsionsschwingung des Messpfades 20 zustande. Bei der zweiten Schwingung 202 handelt es sich vorzugsweise um eine Torsionsschwingung des Messpfades 20, bei welcher ein Zuführungsabschnitt 21.1 phasenverschoben zu einem Rückführungsabschnitt 21.3 schwingt, so dass der Messpfad 20 tordiert wird. Die zweite Schwingung 202 ist ferner durch eine zweite Messeinheit 40 der Vorrichtung 1 erfassbar. Je nach Auslenkung und/oder Frequenz der zweiten Schwingung 202 kann über die zweite Messeinheit 40 zumindest ein weiterer Parameter des Fluidstroms 2 und/oder des Anströmelementes 22 bestimmbar sein. Um die zweite Schwingung 202 zu erfassen weist die zweite Messeinheit 40 ferner einen Sensor 41 zum Erfassen der zweiten Schwingung, insbesondere zumindest eines zweiten Parameters der zweiten Schwingung 202, auf. Der Sensor 41 zum Erfassen der zweiten Schwingung 202 umfasst ferner zwei Permanentmagneten 42, wobei einer der Permanentmagneten 42 am Zuführungsabschnitt 21.1 und einer der Permanentmagneten 42 am Rückführungsabschnitt 21.3 angeordnet ist. Somit können die erste und die zweite Schwingungsamplitude 202.1, 202.2 in einfacher Art und Weise erfasst werden, so dass die durch die zweite Schwingung 202 erzeugte Torsion des Messpfades 20 bestimmbar ist. Vorzugsweise können die erste und zweite Messeinheit 30, 40 mit einer Steuereinheit 25 in Datenkommunikationsverbindung stehen oder in Datenkommunikation bringbar sein. Durch die Steuereinheit 25 kann insbesondere auf Grundlage eines Signals eines der Sensoren 31, 41 der ersten und/oder zweiten Messeinheit 30, 40 die erste und/oder zweite Schwingung 201, 202 zur Analyse des Fluidstroms 2 auswertbar sein. Die erste Schwingung 201 kann insbesondere mehrere Richtungskomponenten aufweisen, wobei durch den Sensor 31 zum Erfassen der ersten Schwingung vorzugsweise zumindest eine Richtungskomponente oder mehrere Richtungskomponenten erfassbar sein können. Insbesondere kann die erste Schwingung 201 eine Bewegung des Messpfades 20 in einer Ebene umfassen, die senkrecht zur Ebene ist, in welcher der Zuführungsabschnitt 21.1 und der Rückführungsabschnitt 21.3 angeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise eine Massenänderung bzw. eine Partikelmenge im Anströmelement 22 bestimmbar sein. Insbesondere bei konstanter Masse des Anströmelementes 22 kann beispielsweise die erste Schwingung 201 zur Bestimmung einer Dichte des Fluidstroms 2 nutzbar sein. Aus einer Erfassung mehrerer Komponenten können vorteilhafterweise mehrere unterschiedliche Parameter des Fluidstroms 2 ermittelt werden. Durch die u-artige Form oder U-Form des Messpfades 20 kann beispielsweise aus der ersten Schwingung 201 eine Änderung der Masse des Anströmelementes 22 oder eine Dichte des Fluidstroms 2 ermittelt werden. Durch die Erfassung der durch die Coriolis-Kraft bedingten zweiten Torsionsschwingung 202 kann der Fluidmassenstrom ermittelt werden.
3 zeigt ferner die Vorrichtung 1 des ersten Ausführungsbeispiels in einer weiteren schematischen Ansicht. Dabei ist gezeigt, dass der Messpfad 20 mit dem Arbeitspfad 10 zumindest teilweise einen geschlossenen Kreislauf bildet. Somit kann der Fluidstrom 2 nach der Zuführung zum Messpfad 20 in einfacher Art und Weise rückgeführt werden. Dadurch sind beispielsweise mehrere Analysen des Fluidstroms 2 möglich. Dazu kann eine Reinigungseinheit 3 vorgesehen sein, welche in den Arbeitspfad 10 integriert ist. Nach dem Durchströmen der Reinigungseinheit 3 kann der Fluidstrom 2 somit zum Messpfad 20 geführt werden, dort analysiert werden und anschließend weiteren Zyklen im Arbeitspfad 10 unterworfen werden. Dadurch kann beispielsweise eine sinnvolle Zyklenzahl eines Anströmelementes 22 in einem Prozess analysierbar sein. Über einen Fluideingang 2.1 kann der Arbeitspfad 10 ferner mit Fluid versorgbar und/oder über eine Fluidausgang 2.2 kann Fluid aus dem Arbeitspfad 10 abführbar sein. Die Führung des Fluidstromes 2 in einem geschlossenen Kreislauf ermöglicht insbesondere die Abbildung realer Prozesse im Labormaßstab.
4 zeigt ferner eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in schematischer Perspektivansicht in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei ist ein Messpfad 20 von einem Fluidstrom 2 durchströmbar. Der Messpfad 20 weist einen Zuführungsabschnitt 21.1 und einen Rückführungsabschnitt 21.3 auf, so dass der Fluidstrom 2 zumindest teilweise in entgegengesetzten Richtungen im Messpfad 20 führbar ist. Ferner ist der Messpfad u-förmig ausgebildet, wobei in einem Scheitelpunkt der U-Form ein Anströmelement 22 angeordnet ist, welches zur Aufnahme von Partikeln aus dem Fluidstrom 2 ausgebildet ist. Insbesondere kann der Messpfad 20 dünnwandig und/oder aus einem elastischem Material ausgebildet sein. Dadurch können die Wandungen des Messpfades insbesondere vollständig als Federelemente 23 wirken, so dass eine erste und eine zweite Schwingung 201, 202 durch den Messpfad 20 zumindest teilweise ausführbar ist. Die erste Schwingung 201 umfasst dabei vorzugsweise eine Biegeschwingung und die zweite Schwingung 202 umfasst vorzugsweise eine Torsionsschwingung, wobei der Zuführungsabschnitt 21.1 und der Rückführungsabschnitt 21.3 Schwingungsamplituden in entgegengesetzten Richtungen aufweisen, so dass der Messpfad 20 bei der zweiten Schwingung tordiert wird. Zur Verbindung des Zuführungsabschnitts 21.1 und des Rückführungsabschnitts 21.3 ist ferner ein Umlenkabschnitt 21.2 vorgesehen, in welchem das Anströmelement 22 angeordnet ist. Vorzugsweise können der Zuführungsabschnitt 21.1, der Umlenkabschnitt 21.2 und der Rückführungsabschnitt 21.3 einstückig und/oder materialeinheitlich ausgebildet sein. Ferner kann der Umlenkabschnitt 21.2 einen Radius aufweisen und tangential in den Zuführungsabschnitt 21.1 und/oder den Rückführungsabschnitt 21.3 übergehen. Dadurch können günstige Strömungsbedingungen für den Fluidstrom 2 im Messpfad 20 geschaffen sein.
5 zeigt ferner ein Anströmelement 22 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann das Anströmelement 22 zum Einsatz in einer Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele einsetzbar sein. Das Anströmelement 22 weist dabei einen Rahmen 22.2 auf, in welchem ein Festbett 22.1 aufgenommen ist. Von dem Festbett 22.1 kann insbesondere ein Stoffübergang vom oder zum Fluidstrom 2 erfolgen. Das Festbett 22.1 kann beispielsweise zur Adsorption oder Absorption von Stoffen aus einem Fluidstrom 2, welcher das Anströmelement 22 durchströmt, ausgeführt sein. Dazu kann das Festbett 22.1 vorzugsweise ein poröses Medium und/oder eine Schüttung aufweisen. Insbesondere weist das Festbett 22.1 einen Feststoff, wie beispielsweise Aktivkohle, auf, der Poren und/oder Zwischenräume bildet. Durch die Poren und/oder Zwischenräume kann der Fluidstrom 2 hindurchströmen und Partikel an das Anströmelement 22 abgeben. Insbesondere kann das Anströmelement 22 mit dem Rahmen 22.2 als modularer Einsatz ausgebildet sein, so dass das Anströmelement 22 in der Vorrichtung 1 gegen ein weiteres Anströmelement ausgetauscht werden kann. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn unterschiedliche Messbedingungen geschaffen werden sollen.
6 zeigt ferner ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zum Analysieren eines Fluidstroms 2 in einer Vorrichtung 1 in schematischer Darstellung der Verfahrensschritte 101 bis 108. Insbesondere kann das Verfahren 100 durch eine Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden. Das Verfahren 100 umfasst dabei ein Leiten 101 des Fluidstroms 2 von einem Arbeitspfad 10 in einen Messpfad 20, so dass der Fluidstrom 2 ein Anströmelement 22 zum Aufnehmen von Partikeln aus dem Fluidstrom 2. Dabei strömt der Fluidstrom 2 insbesondere zumindest teilweise entlang einer Zuführrichtung 11 zu dem Anströmelement 22. Der Fluidstrom 2 durchströmt das Anströmelement 22 ferner zumindest teilweise. Dabei kann vorzugsweise ein Temperieren 102.1 des Anströmelementes 22 und/oder des Messpfades 20 vorgesehen sein. Insbesondere kann das Temperieren 102.1 ein Erhitzen durch einen Ofen umfassen. Ferner ist eine Druckbeaufschlagung 102.2 des Anströmelementes 22, des Fluidstromes 2 und/oder des Messpfades 20 vorgesehen. Durch das Temperieren 102.1 und die Druckbeaufschlagung 102.2 können somit die relevanten Prozess- und Messbedingungen hergestellt werden. Über ein Oszillationsmittel 26 ist ferner ein Einbringen 103 einer ersten Schwingung 201 in den Messpfad 20 vorgesehen. Dabei kann der Messpfad 20 vorzugsweise dazu angeregt werden in einer Eigenfrequenz zu schwingen. Aus der ersten Schwingung 201 kann ferner auf zumindest einen Parameter des Fluidstroms 2 geschlossen werden. Dazu ist ein Erfassen 104 der ersten Schwingung 201 vorgesehen, wobei das Erfassen 104 vorzugsweise erfolgt, nachdem ein Gleichgewichtszustand des Anströmelementes 22 in Bezug auf die Aufnahme von Partikeln aus dem Fluidstrom 2 erfolgt ist. Im Gleichgewichtszustand kann beispielsweise bei konstantem Massenstrom des Fluidstroms 2 eine Aufnahme von Partikeln zumindest innerhalb einer Messtoleranz abgeschlossen sein, so dass sich die Masse des Anströmelementes 22 nicht mehr ändert. Dadurch kann ein Bestimmen 105 eines ersten Parameters des Fluidstroms 2 in Abhängigkeit von der ersten Schwingung 201 erfolgen. Insbesondere kann der erste Parameter beispielsweise einen Partikelgehalt des Fluidstroms 2 und/oder eines Fluides des Fluidstroms 2 umfassen. Darüber hinaus ist ein Erfassen 106 einer zweiten Schwingung 202 des Messpfades 20 vorgesehen. Bei der zweiten Schwingung 202 handelt es sich vorzugsweise um eine Torsionsschwingung des Messpfades 20, bei welcher ein Zuführungsabschnitt 21.1 phasenverschoben zu einem Rückführungsabschnitt 21.3 schwingt, so dass der Messpfad 20 tordiert wird. Die zweite Schwingung 202 entsteht insbesondere aufgrund einer Coriolis-Kraft, welche durch den mit der ersten Schwingung 201 beaufschlagten und im Messpfad 20 strömenden Fluidstrom 2 wirkt. In Abhängigkeit von der zweiten Schwingung 202 wird ein Bestimmen eines zweiten Parameters des Fluidstroms 2 durchgeführt. Bei dem zweiten Parameter kann es sich beispielsweise um einen Massenstrom und/oder eine Dichte handeln. Insbesondere kann der zweite Parameter zur Bestimmung des ersten Parameters geeignet sein. Das Erfassen 104, 106 der ersten und zweiten Schwingung 201, 202 kann nacheinander oder parallel zueinander durchgeführt werden. Über den Rückführungsabschnitt 21.3 des Messpfades 20 wird ein Rückführen 108 des Fluidstroms 2 vom Messpfad 20 in den Arbeitspfad 10 durchgeführt. Dadurch kann der Fluidstrom 2 beispielsweise erneut im Prozess verwendet werden. Ferner erfolgt die Rückführung insbesondere entgegengesetzt zur Zuführung des Fluidstroms 2 zum Anströmelement 22, so dass das Wirken der Coriolis-Kraft für die zweite Schwingung 202 ermöglicht oder begünstigt ist.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Fluidstrom
2.1: Fluideingang
2.2: Fluidausgang
3: Reinigungseinheit
10: Arbeitspfad
11: Zuführrichtung
12: Rückführrichtung
20: Messpfad
21.1: Zuführungsabschnitt
21.2: Umlenkbereich
21.3: Rückführungsbereich
22: Anströmelement
22.1: Festbett
22.2: Rahmen
23: Federelement
24: Temperiereinheit
25: Steuereinheit
26: Oszillationsmittel
26.1: Erregermagnet
27: Druckerzeuger
30: erste Messeinheit
31: Sensor
40: zweite Messeinheit
41: Sensor
42: Permanentmagnet
100: Verfahren
101-108: Verfahrensschritte
201: erste Schwingung
202: zweite Schwingung
202.1: erste Schwingungsamplitude von 202
202.2: zweite Schwingungsamplitude von 202

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4696181 A [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Analyse eines Fluidstroms (2), insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstroms (2), aufweisend einen Arbeitspfad (10), welcher von dem Fluidstrom (2) durchströmbar ist, und einen Messpfad (20) mit einem Zuführungsabschnitt (21.1), welcher mit dem Arbeitspfad (10) in Fluidkommunikation bringbar ist, wobei in dem Messpfad (20) ein Anströmelement (22) zum Stoffaustausch mit dem Fluidstrom (2) angeordnet ist, wobei der Messpfad (20) mit dem Anströmelement (22) durch ein Oszillationsmittel (26) zumindest bereichsweise in eine erste Schwingung (201) versetzbar ist, und wobei eine erste Messeinheit (30) vorgesehen ist, durch welche die erste Schwingung (201) zur Analyse des Fluidstroms (2) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad (20) einen Rückführungsabschnitt (21.3) aufweist, der mit dem Arbeitspfad (10) in Fluidkommunikation bringbar ist, so dass der Fluidstrom (2) zumindest teilweise in den Arbeitspfad (10) rückführbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anströmelement (22) ein Festbett in Form eines porösen Mediums (22.1) und/oder einer Schüttung (22.2) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anströmelement (22) als modularer Einsatz ausgebildet ist, so dass das Anströmelement (22), insbesondere zur Untersuchung unterschiedlicher Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen, austauschbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad (20) zumindest ein Federelement (23) aufweist, durch welches der Messpfad (20) mit dem Arbeitspfad (10) schwingfähig verbunden ist, insbesondere wobei das Federelement (23) einen Teil des Messpfades (20) bildet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oszillationsmittel (26) einen Erregermagneten (26.1) zum magnetischen Erzeugen der ersten Schwingung (201) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinheit (30) einen optischen, magnetischen, kapazitiven und/oder induktiven Sensor (31) zum Erfassen der ersten Schwingung (201) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anströmelement (22) und/oder der Messpfad (20) durch eine Temperiereinheit (24) temperierbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad (20) und/oder das Anströmelement (22) durch einen Druckerzeuger (27) mit einem Druck beaufschlagbar ist, insbesondere wobei der Druck größer als 1 atm, vorzugsweise größer als 1 atm und kleiner als 500 bar, besonders bevorzugt größer als 1 atm und kleiner als 200 bar, ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Messeinheit (40) vorgesehen ist, durch welche eine zweite Schwingung (202) des Messpfades (20) zur Analyse des Fluidstroms (2) erfassbar ist, insbesondere wobei es sich bei der zweiten Schwingung (202) um eine Torsionsschwingung handelt, vorzugsweise so dass eine Bestimmung eines Fluidmassenstroms in Abhängigkeit von einer Coriolis-Kraft ermöglicht ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinheit (40) zumindest einen Sensor (41) zum Erfassen der zweiten Schwingung (202) aufweist, insbesondere wobei zum Erfassen der zweiten Schwingung (202) zumindest ein Permanentmagnet (42) am Messpfad (20) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpfad (20) einen Umlenkabschnitt (21.2) aufweist, welcher den Zuführungsabschnitt (21.1) und den Rückführungsabschnitt (21.3) verbindet, insbesondere wobei das Anströmelement (22) in dem Umlenkabschnitt (21.2) angeordnet ist und/oder der Messpfad (21) zumindest bereichsweise u-artig ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (25) vorgesehen ist, durch welche die erste und/oder zweite Schwingung (201, 202), insbesondere auf Grundlage eines Signals eines Sensors (31, 41) der ersten und/oder zweiten Messeinheit (30, 40), auswertbar ist.
Verfahren (100) zum Analysieren eines Fluidstroms (2), insbesondere hinsichtlich eines Stoffübergangs des Fluidstrom (2), in einer Vorrichtung (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: - Leiten (101) des Fluidstroms (2) von einem Arbeitspfad (10) in einen Messpfad (20), so dass der Fluidstrom (2) ein Anströmelement (22) zum Stoffaustausch mit dem Fluidstrom (2) zumindest teilweise durchströmt, wobei das Anströmelement (22) in dem Messpfad (21) angeordnet ist, - Einbringen (103) einer ersten Schwingung (201) in den Messpfad (20), - Erfassen (104) der ersten Schwingung (201), - Bestimmen (105) eines ersten Parameters des Fluidstroms (2) in Abhängigkeit von der ersten Schwingung (201), - Rückführen (108) des Fluidstroms (2) vom Messpfad (20) in den Arbeitspfad (10).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass ferner zumindest einer der folgenden Schritte vorgesehen ist: - Temperieren (102.1) des Anströmelementes (22) und/oder des Messpfades (20), - Druckbeaufschlagung (102.2) des Anströmelementes (22), des Fluidstromes (2) und/oder des Messpfades (20).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: - Erfassen (106) einer zweiten Schwingung (202) des Messpfades (20), insbesondere wobei die zweite Schwingung (202) eine Torsionsschwingung ist, - Bestimmen (107) eines zweiten Parameters des Fluidstroms (2) in Abhängigkeit von der zweiten Schwingung (202).