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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer rheologischen Eigenschaft eines Mediums. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm zur Bestimmung der rheologischen Eigenschaften, sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem entsprechenden Computerprogramm.
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Die Rheologie beschäftigt sich allgemein mit dem Deformations- und Fließverhalten von Materie. Dabei wird der phänomenologische Zusammenhang zwischen der Deformation eines Körpers und der hierfür ursächlichen äußeren Spannung beispielsweise anhand sogenannter rheologischer Modelle beschrieben. In diesen Modellen werden zur Beschreibung von Eigenschaften wie der Elastizität, der Viskosität und der Plastizität üblicherweise aus der Mechanik entnommene Modellkörper einer Feder, eines Dämpfungszylinders und eines Reibklotzes herangezogen.
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Beispielsweise für Anwendungen der Rheologie stellen nicht-newtonsche Flüssigkeiten, also solche Flüssigkeiten, deren Verhalten von dem einer newtonschen Flüssigkeit abweicht, dar. Als newtonsche Flüssigkeit wird ein Fluid mit linear viskosem Fließverhalten bezeichnet, dessen Bewegung den Gleichungen von Navier-Stokes genügt. Bei newtonschem Verhalten ist also die Schergeschwindigkeit proportional zur Scherspannung, so dass sich eine belastungsunabhängige Viskosität ergibt. Bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten hängt die Viskosität dagegen von der Scherrate und somit von der Fließgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums ab.
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Zur Untersuchung der rheologischen Eigenschaften sind unterschiedlichste Rheometer aus dem Stand der Technik bekannt geworden, welche zur Bestimmung unterschiedlicher rheologischer Eigenschaften dienen, wie beispielsweise Scherrheometer, Dehnrheometer, Biegebalkenrheometer, oder Rotationsrheometer. Nachteilig bei solchen Messgeräten ist, dass zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften jeweils Proben des zu untersuchenden Mediums aus dem Prozess entfernt und separat untersucht werden müssen.
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Es sind aber auch Messgeräte beschrieben worden, mit welchen eine Bestimmung rheologischer Eigenschaften direkt im Prozess möglich ist. Bei dem aus der
WO2015/068154A1 bekannt gewordenen Messsystem, welches der Bestimmung des Durchflusses, der Dichte und der rheologischen Eigenschaften eines Mediums dient, wird beispielsweise ein NMR Spektrometer zur Bestimmung eines Geschwindigkeitsprofils des fließenden Mediums verwendet. In der
EP3450930A1 wird dagegen vorgeschlagen, ein Geschwindigkeitsprofil des fließenden Mediums mittels einer Vielzahl an Ultraschall-Transceivern, die eine Vielzahl an akustischen Wegen durch das Medium bzw. die Rohrleitung definieren, zu ermitteln.
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In beiden Fällen sind komplexe mathematische Modellbildungen und Operationen erforderlich, um eine Aussage über die rheologischen Eigenschaften des jeweiligen Mediums machen zu können.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Bestimmung und/Überwachung zumindest einer rheologischen Eigenschaft eines Mediums bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Computerprogramm nach Anspruch 14 sowie durch das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer rheologischen Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- - Bestimmen zumindest eines ersten und eines, sich von dem ersten Messbereich unterscheidenden, zweiten Messbereichs entlang einer Querschnittsfläche der Rohrleitung senkrecht zu einer Längsachse der Rohrleitung, welcher erste und zweite Messbereich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse liegen,
- - Bestimmen eines ersten Messwerts für eine Geschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung in dem ersten Messbereich,
- - Bestimmen eines zweiten Messwerts für eine Geschwindigkeit des Mediums durch die Rohrleitung in dem zweiten Messbereich,
- - Ermitteln eines Strömungsprofils des Mediums in der Rohrleitung zumindest anhand des ersten und zweiten Messwerts für die Geschwindigkeit, und
- - Bestimmen der rheologischen Eigenschaft des Mediums zumindest anhand des Strömungsprofils.
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Die zumindest zwei Messbereiche befinden sich erfindungsgemäß in derselben Ebene, welche senkrecht zur Längsachse und damit parallel zur Querschnittsfläche durch die Rohrleitung verläuft. Relativ zur Längsachse liegen die Messbereiche dagegen in unterschiedlichen Ebenen, d.h. sie weisen zumindest teilweise unterschiedliche Abstände zum Zentrum der Querschnittsfläche der Rohrleitung auf. Eine derartige Anordnung der unterschiedlichen Messbereiche hat einerseits konstruktive Vorteile, da das Strömungsprofil mittels vergleichsweise kompakter Messanordnungen bestimmbar ist. Darüber hinaus führt dieses Vorgehen auch zu maßgeblichen Vereinfachungen bei der Bestimmung des Strömungsprofils anhand der Geschwindigkeitsmesswerte. Der rechtentechnische Aufwand kann deutlich reduziert werden.
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Vorzugsweise werden die Messwerte für die Geschwindigkeit mittels einer nicht-invasiven Messanordnung bzw. mittels eines nicht-invasiven Messgeräts bestimmt. Auf diese Weise wird das fließende Medium in der Rohrleitung nicht beeinflusst, so dass sich keine durch das Messgerät bzw. die Messanordnung hervorgerufenen Effekte auf das Strömungsprofil auswirken. Eine nicht-invasive Bestimmung der Messwerte für die Geschwindigkeit ist jedoch nicht zwingend erforderlich
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So werden gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens der erste und zweite Messwert für die Geschwindigkeit mittels zumindest eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts bestimmt. Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip, bei welchem unterschiedliche Laufzeiten von Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet werden. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömungsrichtung ausgesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit des Mediums und bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
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Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht, oder im Falle von Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssystemen von außerhalb des Messrohrs an die Rohrwand gepresst. Die Ultraschallwandler umfassen üblicherweise ein elektromechanisches Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, und eine, gelegentlich auch als Membran bezeichnete, Koppelschicht. Typischerweise sind die Ultraschallwandler in einer gemeinsamen Ebene am Messrohr angeordnet, entweder auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs, dann verläuft das akustische Signal, projiziert auf einen Rohrquerschnitt, einmal entlang einer Sekante durch das Messrohr, oder auf derselben Seite des Messrohrs, dann wird das akustische Signal an der gegenüberliegenden Seite des Messrohrs reflektiert, wodurch das akustische Signal zweimal das Messrohr entlang der auf den Querschnitt durch das Messrohr projizierten Sekante durchquert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens werden der erste und zweite Messwert für die Geschwindigkeit mittels zumindest eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts bestimmt. Bei einem auf dem Faraday'schen Induktionsgesetz basierenden, magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät wird mittels eines an einem Messrohrteilabschnitt befestigten Magnetsystems im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung eines durch die Rohrleitung strömenden, elektrisch leitfähigen Fluids ein Magnetfeld zeitlich konstanter Stärke erzeugt. Dadurch werden die in dem strömenden Fluid vorhandenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Die durch diese Ladungstrennung entstehende elektrische Spannung wird mittels mindestens eines ebenfalls im Messrohrteilabschnitt befestigten Messelektrodenpaares abgegriffen. Die abgegriffene Spannung ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und damit proportional zum Volumendurchfluss.
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Gemäß noch einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens werden der erste und zweite Messwert für die Geschwindigkeit mittels zumindest eines thermischen Durchflussmessgeräts bestimmt. Bei thermischen oder auch kalorimetrischen Durchflussmessgeräten sind grundsätzlich zwei Messprinzipien verfügbar. Gemäß einem ersten Messprinzip wird ein Sensorelement einem durch eine Rohrleitung strömenden Medium ausgesetzt und derart beheizt, dass seine Temperatur im Wesentlichen konstant bleibt. Bei bekannten, und zumindest zeitweise konstanten Mediumseigenschaften, wie der Mediumstemperatur, dessen Dichte oder auch Zusammensetzung, kann anhand des zum Halten der Temperatur auf den konstanten Wert notwendigen Heizleistung der Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung ermittelt werden. Unter der Mediumstemperatur sei dabei jene Temperatur verstanden, welche das Medium ohne einen zusätzlichen Wärmeeintrag eines Heizelements aufweist. Bei dem zweiten Messprinzip wird dagegen das Heizelement mit konstanter Heizleistung betrieben und die Temperatur des Mediums stromabwärts des Heizelements gemessen. In diesem Falle gibt die gemessene Temperatur des Mediums Aufschluss über den Massedurchfluss. Im Falle beider beschriebener Messprinzipien kann, insbesondere bei variabler Mediumstemperatur, außerdem ein zweites Sensorelement zur Temperaturmessung des Mediums verwendet werden. Die Heizelemente von thermischen Durchflussmessgeräten sind häufig in Form von Widerstandsheizungen ausgeführt. Beispielsweise werden sogenannte Widerstandselemente, z. B. RTD-Widerstandselemente (Resistance Temperature Detector), insbesondere Platinelemente, eingesetzt, wie sie unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich ist. Die Widerstandselemente werden über die Umsetzung von ihnen zugeführter elektrischer Leistung, z. B. in Folge einer erhöhten Stromzufuhr, erwärmt.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Ermittlung des Strömungsprofils des Mediums ein Modell herangezogen, welches die Geschwindigkeit des Mediums als Funktion des Ortes innerhalb der Rohrleitung beschreibt.
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In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn anhand des ersten und zweiten Messwerts zumindest ein Parameter des Modells ermittelt wird.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn als Modell eine parabelförmige Funktion herangezogen wird. Ein Modell, welches auf einer parabelförmigen Funktion basiert, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Strömungsprofil des Mediums in der Rohrleitung rotationssymmetrisch ist. In diesem Falle reicht die Betrachtung einer Parabel zur Charakterisierung der Strömung bereits aus. Vorteilhaft ist eine parabolische Funktion durch drei Parameter vollständig charakterisiert, so dass diese Ausgestaltung vorteilhaft mit besonders geringem Rechenaufwand implementierbar ist.
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Noch eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass ein Referenz-Strömungsprofil für das Medium ermittelt wird. Das Referenz-Strömungsprofil ist insbesondere derart gewählt, dass es für einen Referenzwert für die zu bestimmende und/oder zu überwachende rheologische Eigenschaft des Mediums charakteristisch ist. Das Referenz-Strömungsprofil ist beispielsweise in einer Speichereinheit hinterlegbar und kann sowohl empirisch anhand eines Referenzmediums bestimmt als auch anhand eines mathematischen Modells berechnet sein.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Referenz-Strömungsprofil rotationssymmetrisch ist.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn das ermittelte Strömungsprofil mit dem Referenz-Strömungsprofil verglichen wird, insbesondere wobei eine Abweichung zwischen dem Referenz-Strömungsprofil und dem ermittelten Strömungsprofil erkannt wird.
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In einer Ausgestaltung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass im Falle einer Abweichung des ermittelten Strömungsprofils von einer Rotationssymmetrie eine Aussage über die Rohrleitung gemacht wird. Diesem Vorgehen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die rheologischen Eigenschaften des Mediums keinen Einfluss auf eine Rotationssymmetrie eines Strömungsprofils des fließenden Mediums haben. Wird ein nicht rotationssymmetrisches Strömungsprofil des jeweils zu untersuchenden Mediums festgestellt, so weist dies auf eine nicht im Fließverhalten des Mediums begründete Ursache hin. Es kann somit eine Aussage über die Rohrleitung selbst gemacht werden. Beispielsweise kann erkannt werden, ob ein Hindernis in der Rohrleitung, beispielsweise in Form einer Ablagerung oder eines Festkörpers in der Rohrleitung, vorliegt. Es kann also auf ungewollte, ungünstige Strömungsbedingungen rückgeschlossen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des Vergleichs des ermittelten Strömungsprofils mit dem Referenz-Strömungsprofil eine Veränderung zumindest einer rheologischen Eigenschaft des Mediums erkannt wird. Es kann also eine Abweichung von einer Referenzgröße auf einfache Art und Weise detektiert werden. Viele Prozesse erfordern keine Kenntnis der absoluten Werte bestimmter Medieneigenschaften, wie beispielsweise der Viskosität, sondern lediglich die Feststellung einer Abweichung von den jeweils angestrebten Sollwerten.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Veränderung der Eigenschaft des Mediums und/oder die Abweichung von der Rotationssymmetrie des ermittelten Strömungsprofils mittels einer Berechnungseinheit erkannt wird, welche dazu ausgestaltet ist, das Erkennen der Veränderung der Eigenschaft des Mediums und/oder die Abweichung von der Rotationssymmetrie zu erlernen.
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Die Berechnungseinheit ist demnach bevorzugt eine mit künstlicher Intelligenz ausgestattete Einheit, und erlernt das Erkennen einer Abweichung von einer Referenz. Es handelt sich also um eine intelligente Prozessüberwachung. Bei dem maschinellen Lernprozess, den die Berechnungseinheit durchläuft, kann es sich sowohl um einen überwachten (engl. supervised) als auch um einen nichtüberwachten (engl. unsupervised) Lernprozess handeln.
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In diesem Zusammenhang kann die Berechnungseinheit sowohl offline als auch online, trainiert werden. Unter einem offline-Training wird ein Training vor der Durchführung des Verfahrens, also bevor das Verfahren im fortlaufenden Prozess angewendet wird, verstanden. Es handelt sich im Prinzip um ein Training unter Laborbedingungen. Die Berechnungseinheit kann stattdessen oder darüber hinaus aber auch online trainiert werden, d.h. im fortlaufenden Prozess, bzw. während der Durchführung des Verfahrens im Prozess. Für das Training und das Erkennen der Abweichung von einer Referenz kann beispielsweise die Methode der selbstorganisierten Karten angewendet werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer rheologischen Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.
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Es sei darauf verwiesen, dass sich die in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm und das Computerprogrammprodukt anwenden lassen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt beispielhaft mögliche Messgeräte bzw. Messanordnungen, welche sich zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignen, und
- 2 illustriert eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den Figuren sind gleiche Elemente je mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 sind drei beispielhafte Messgeräte bzw. Messanordnungen skizziert, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind. Grundsätzlich sollte die jeweils verwendete Anordnung dazu ausgestaltet sein, zumindest zwei Messwerte für die Geschwindigkeit entsprechend zwei unterschiedlichen Messbereichen entlang einer Querschnittsfläche durch die Rohrleitung zu erfassen.
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Im Falle der 1a werden die Messwerte für die Geschwindigkeiten v1-v5 mittels eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 erfasst. Dargestellt ist eine Querschnittsfläche A einer von einem Medium M durchströmten Rohrleitung 2, an deren Wandung beispielhaft fünf Transceiver-Paare 3a,3a'-3e,3e' in fünf unterschiedlichen Messbereichen B1-B5 angeordnet sind. Anhand der fünf Geschwindigkeitsmesswerte v1-v5 in den unterschiedlichen Messbereichen 4a-4e kann ein Geschwindigkeitsprofil in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse der Rohrleitung 2 ermittelt werden, welches zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer rheologischen Eigenschaft des Mediums M dienen kann. Es sei darauf verwiesen, dass nicht zwangsläufig fünf Messbereiche B1-B5 definiert werden müssen. Es sollten vielmehr zumindest zwei Messbereiche B1, B2 festgelegt werden, um zumindest zwei unterschiedliche Messwerte für die Geschwindigkeit v1 und v2 erhalten zu können.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 1b wird ein thermisches Durchflussmessgerät 4 zur Bestimmung der Messwerte für die Geschwindigkeiten v1-v7 herangezogen. In diesem Falle erfolgt die Messwerterfassung im Gegensatz zum Falle der 1a invasiv. Dargestellt ist wieder eine Querschnittsfläche A der Rohrleitung 2, welche von dem Medium M durchströmt wird. Für das hier gezeigte Beispiel wurden sieben Messbereiche B1-B7 definiert, in welchen die sieben Messwerte für die Geschwindigkeit v1-v7 bestimmt werden. Dazu sind zwei Messeinsätze 5a,5b in die Rohrleitung integriert, wobei in jedem Messbereiche B1-B7 jeweils ein Heizelement 6a-6g innerhalb des ersten Messeinsatzes 5a und je ein Temperatursensor 7a-7g innerhalb des zweiten Messeinsatzes 5b angeordnet ist.
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Schließlich ist in 1c ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 9 dargestellt, welches über ein einziges Magnetsystem 9 zur Erzeugung eines Magnetfelds B und fünf senkrecht zu einer Richtung des Magnetfelds B ausgerichtete Elektrodenpaare 10a, 10a' - 10e,10e' zum Abgreifen der jeweils induzierten Spannung, anhand welcher der jeweilige Wert für die Geschwindigkeit v1-v5 ermittelt werden kann, und welche fünf unterschiedlichen Messbereichen B1-B7 zugeordnet sind, verfügt. In anderen Ausgestaltungen kann auch jedes Elektrodenpaar 10,10' über ein separates Magnetsystem 9 verfügen. Die Verwendung eines einzigen Magnetsystems 9 führt vorteilhaft zu einem besonders kompakten Aufbau.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden anhand von 2 illustriert. Dargestellt ist eine Rohrleitung, durch welche ein Medium M mit einem rotationssymmetrischen Strömungsprofil S strömt. In den unterschiedlichen Messbereichen B1-B7 liegen unterschiedliche Geschwindigkeiten v1-v7 des Mediums vor, anhand welcher das Strömungsprofil S bestimmbar ist. Aufgrund der hier vorliegenden Rotationssymmetrie ist eine Betrachtung des Strömungsprofils in einer zweidimensionalen Ebene ausreichend. Eine derartige Projektion führt hier zu einem parabelförmigen Profil, so dass eine parabelförmige Funktion (p) als Modell für das Strömungsprofil (S) herangezogen werden kann, deren Parameter anhand der Messwerte v1-v7 für die Geschwindigkeit bestimmbar sind. Es sei darauf verwiesen, dass andere Ausgestaltungen aber auch die Verwendung anderer Modelle für das Strömungsprofil S beinhalten können.
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Es ist nun einerseits denkbar, anhand des Strömungsprofils einen Wert für die zumindest eine rheologische Eigenschaft des Mediums M zu bestimmen. Es kann aber ebenfalls eine Überwachung und/oder Bestimmung der rheologischen Eigenschaften anhand eines Vergleichs des ermittelten Strömungsprofils S mit einem oder mehreren Referenz-Strömungsprofilen S' vorgenommen werden. Der Vergleich zwischen dem ermittelten Strömungsprofil S und dem Referenzströmungsprofil S' kann dabei vorteilhaft mittels einer hier nicht dargestellten intelligenten Berechnungseinheit 11 durchgeführt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Verfahren zu einem Zeitpunkt durchgeführt wird, zu welchem das Medium M in die Rohrleitung 2 einströmt, insbesondere zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Medium M die Messvorrichtung bzw. die Messanordnung 1,4,9 passiert. In diesem Falle kann für jeden Messbereich B ein Wert für die Geschwindigkeit v des Mediums M zu einem Einströmzeitpunkt t bestimmt werden, so dass für die Ermittlung des Strömungsprofils neben den Werten für die Geschwindigkeit v auch die Einströmzeitpunkte t zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschall-Durchflussmessgerät
- 2
- Rohrleitung
- 3
- Transceiver; 3a,3a'-3e,3e' Transceiver-Paare
- 4
- Thermisches Durchflussmessgerät
- 5
- Messeinsätze
- 6
- Heizelemente
- 7
- Temperatursensoren
- 8
- Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 9
- Magnetsystem
- 10
- Elektroden, 10a,10a'-10e,10e' Elektrodenpaare
- 11
- Berechnungseinheit
- M
- Medium
- v
- Geschwindigkeit des Mediums
- B
- Messbereich
- A
- Querschnittsfläche der Rohrleitung
- S
- Strömungsprofil
- S'
- Referenz-Strömungsprofil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/068154 A1 [0005]
- EP 3450930 A1 [0005]
