DE102020111011A1 - Method for measuring the flow rate of a medium and measuring system for carrying out the method - Google Patents

Method for measuring the flow rate of a medium and measuring system for carrying out the method Download PDF

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Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Durchflussmessung eines Mediums (10), umfassend die Schritte: Erzeugen einer Redox-aktiven Spezies im Medium (10), und Messen der Konzentrationsabnahme der Redox-aktiven Spezies, wobei die Geschwindigkeit der Konzentrationsabnahme ein Maß für die Flussgeschwindigkeit (F1, F2, F3) des Mediums (10) darstellt. Die Erfindung offenbart weiter ein Messsystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.The invention discloses a method for measuring the flow rate of a medium (10), comprising the steps: generating a redox-active species in the medium (10), and measuring the decrease in concentration of the redox-active species, the speed of the decrease in concentration being a measure of the flow rate ( F1, F2, F3) of the medium (10). The invention also discloses a measuring system (1) for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchflussmessung eines Mediums und ein Messsystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for measuring the flow rate of a medium and a measuring system for carrying out such a method.

Grundsätzlich besteht ein solches Messsystem, also ein Durchflussmesser aus zwei Hauptkomponenten, dem eigentlichen Messaufnehmer, der als Durchflusssensor dient, und einem Auswerte- und Speiseteil, das auch als Transmitter oder Messumformer bezeichnet wird.Basically, such a measuring system, i.e. a flow meter, consists of two main components, the actual measuring sensor, which serves as a flow sensor, and an evaluation and supply part, which is also referred to as a transmitter or measuring transducer.

Die Messverfahren der Durchflussmessung unterscheiden sich durch akustische Verfahren, gyroskopische Verfahren, magnetisch-induktive Verfahren, mechanisch-volumetrische Verfahren, optische Verfahren, thermische Verfahren oder Wirkdruck-/Stauverfahren. Also Durchflussmesser in geschlossenen Rohrleitungen zur Messung des Massendurchflusses sind hier beispielsweise auch die Coriolis- und Vortex-Massendurchflussmessung zu nennen.The measuring methods of flow measurement differ in acoustic methods, gyroscopic methods, magnetic-inductive methods, mechanical-volumetric methods, optical methods, thermal methods or differential pressure / damming methods. In other words, flow meters in closed pipelines for measuring the mass flow are, for example, also the Coriolis and Vortex mass flow measurement.

Nachteile der bekannten Möglichkeiten sind die teils aufwendigen Messaufbauten, der teils hohe Energiebedarf, die Notwendigkeit von mechanisch bewegten Teilen oder die Notwendigkeit einer dedizierte Zusatztechnik.Disadvantages of the known options are the sometimes complex measurement setups, the sometimes high energy requirement, the need for mechanically moving parts or the need for dedicated additional technology.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Durchflussmessung vorzuschlagen.The invention is based on the object of proposing an alternative flow measurement.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Durchflussmessung eines Mediums, umfassend die Schritte: Erzeugen einer Redox-aktiven Spezies im Medium; und Messen der Konzentrationsabnahme der Redox-aktiven Spezies, wobei die Geschwindigkeit der Konzentrationsabnahme ein Maß für die Flussgeschwindigkeit des Mediums darstellt.The object is achieved by a method for measuring the flow rate of a medium, comprising the steps of: generating a redox-active species in the medium; and measuring the decrease in concentration of the redox-active species, the rate of decrease in concentration being a measure of the flow rate of the medium.

Somit ergibt sich die Realisierung einer Durchflussmessung in elektrisch leitenden Medien ohne Nutzung mechanisch bewegter Teile unter Nutzung eines kostengünstigen und einfachen Aufbaus.This results in the implementation of a flow measurement in electrically conductive media without the use of mechanically moving parts using an inexpensive and simple structure.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Erzeugen der Redox-aktiven Spezies mittels Anlegen eines Spannungspulses an eine Arbeitselektrode im Medium erfolgt, wobei die Höhe des Spannungspulses gemäß der Redox-aktiven Spezies gewählt wird.One embodiment provides that the redox-active species are generated by applying a voltage pulse to a working electrode in the medium, the height of the voltage pulse being selected according to the redox-active species.

Die Messung kommt ohne zusätzliche Einbauten aus. Die benötigte Energie ist niedrig - die benötigte Spannung liegt zwischen 0,1 V und 2,5 V, bei einer Leistung von wenigen mW. Im Falle des Ausfalls eines bereits vorhandenen Durchflusssensors kann das Verfahren diese ersetzen und einen Anlagenausfall verhindern, z.B. so lange bis die defekte Durchflusssensor ersetzt wird.The measurement does not require any additional built-in components. The energy required is low - the voltage required is between 0.1 V and 2.5 V, with an output of a few mW. In the event of failure of an existing flow sensor, the procedure can replace it and prevent a system failure, e.g. until the defective flow sensor is replaced.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Konzentrationsabnahme mittels einer potentiometrischen Abklingkurve über die Zeit bestimmt wird.One embodiment provides that the decrease in concentration is determined over time by means of a potentiometric decay curve.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Messsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: eine Arbeitselektrode; eine Gegenelektrode; und eine Datenverarbeitungseinheit, welche dazu ausgestaltet ist, einen Spannungspuls zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode anzulegen, und eine Abklingkurve der Spannung nach dem Spannungspuls zu detektieren.The object is further achieved by a measuring system for performing a method according to one of the preceding claims, comprising: a working electrode; a counter electrode; and a data processing unit which is configured to apply a voltage pulse between the working electrode and the counter electrode and to detect a decay curve of the voltage after the voltage pulse.

In einer Ausgestaltung umfasst das Messsystem weiter eine Referenzelektrode.In one embodiment, the measuring system further comprises a reference electrode.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass ein Durchflusssensor die Arbeitselektrode und die Referenzelektrode umfasst.One embodiment provides that a flow sensor comprises the working electrode and the reference electrode.

In einer Ausgestaltung umfasst das Messsystem eine Opferelektrode.In one embodiment, the measuring system comprises a sacrificial electrode.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Gegenelektrode gebildet ist durch eine leitfähige, insbesondere metallische Behältniswandung.One embodiment provides that the counter electrode is formed by a conductive, in particular metallic, container wall.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mehrere Arbeitselektroden in verschiedenen Tiefen im Medium angeordnet sind.One embodiment provides that several working electrodes are arranged at different depths in the medium.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit aus der Abklingkurve mittels eines Modells eine Flussgeschwindigkeit ermittelt.One embodiment provides that the data processing unit determines a flow rate from the decay curve by means of a model.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Datenverarbeitungseinheit aus der Abklingkurve mittels eines Modells bei bekannter Flussgeschwindigkeit die Viskosität des Mediums ermittelt.One embodiment provides that the data processing unit determines the viscosity of the medium from the decay curve by means of a model with a known flow rate.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in dem Modell auch andere Parameter wie Diffusionskoeffizienten, Gleichgewichtskoeffizienten, Temperaturverläufe, Viskositäten, oder geometrische Verhältnisse berücksichtigt werden.One embodiment provides that other parameters such as diffusion coefficients, equilibrium coefficients, temperature profiles, viscosities or geometric relationships are also taken into account in the model.

Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

  • 1 zeigt das beanspruchte Messsystem.
  • 2 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm als Eingangssignal für das Messsystem aus 1
  • 3 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm als Ausgangssignal für verschiedene Durchflussraten.
This is explained in more detail with reference to the following figures.
  • 1 shows the stressed measuring system.
  • 2 shows a time-voltage diagram as an input signal for the measuring system 1
  • 3 shows a time-voltage diagram as an output signal for various flow rates.

Die Durchflussmessung beruht auf der Generierung einer Redox-aktiven Spezies im zu messenden Medium 10 und deren nachfolgendem Abtransport durch das Medium 10. Der Abtransport der Redox-aktiven Spezies verläuft umso schneller, je höher die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums 10 ist. In 1 fließt das Medium 10 von links nach rechts, symbolisiert durch den Pfeil mit der Kennung „F“. Wird in einem Medium 10 eine Redoxmessung ohnehin vorgesehen und ist ein entsprechender potentiometrischer Sensor vorhanden, dann ist die Durchflussmessung unter Nutzung dieses Redox-Sensors grundsätzlich und einfach möglich. In einer besonders günstigen Ausgestaltung wird dabei eine Redox-Elektrode verwendet, die auch für eine eigentliche Redox-Messung im Medium verwendet wird.The flow measurement is based on the generation of a redox-active species in the medium to be measured 10 and their subsequent Removal through the medium 10 . The removal of the redox-active species is faster, the higher the flow rate of the medium 10 is. In 1 the medium flows 10 from left to right, symbolized by the arrow with the identifier "F". Will be in a medium 10 a redox measurement is provided anyway and if a corresponding potentiometric sensor is available, then the flow measurement using this redox sensor is basically and easily possible. In a particularly favorable embodiment, a redox electrode is used, which is also used for an actual redox measurement in the medium.

„Redox-Elektrode“ ist hierbei synonym für die Arbeitselektrode, siehe unten. Es wird ein Redox-Sensor verwendet und an dessen Redox-Elektrode ein Potential aufprägt, eine Redox-aktive Spezies generiert oder entsprechend ein Potential gemessen (und zwar gegen eine Referenzelektrode, die üblicherweise, siehe unten, auch Bestandteil des Redox-Sensors ist“Redox electrode” is synonymous with the working electrode, see below. A redox sensor is used and a potential is impressed on its redox electrode, a redox-active species is generated or a potential is measured accordingly (against a reference electrode, which is usually also part of the redox sensor, see below

Das beanspruchte Messsystem in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Für das Verfahren wird in einer Zwei- oder Dreielektrodenschaltung an der Arbeitselektrode 3 durch Aufprägung einer Spannung Uin eine lösliche Redox-aktive Spezies generiert und deren Abtransport mit der gleichen Schaltung zeitlich aufgelöst beobachtet. 1 zeigt die Eingangsspannung Uin am Messsystem 1. 2 zeigt die entsprechende Ausgangsspannung Uout.The claimed measuring system in its entirety has the reference symbol 1 and is in 1 shown. For the procedure, a two- or three-electrode circuit is used on the working electrode 3 generated by impressing a voltage U in a soluble redox-active species and observing its removal with the same circuit, resolved over time. 1 shows the input voltage Uin on the measuring system 1 . 2 shows the corresponding output voltage U out .

Dreielektrodenschaltung bedeutet Verwendung einer eigenständigen Referenzelektrode, die im Normalfall eine Elektrode 2. Art ist und stromlos gehalten wird. Das Potential der Arbeitselektrode bezieht sich auf die Referenzelektrode und die Gegenelektrode kompensiert den Stromfluss. Das Potential der Gegenelektrode ist dabei grundsätzlich nicht bekannt. Zweielektrodenschaltung bedeutet, dass direkt eine Spannung zwischen Arbeits- und Gegenelektrode angelegt wird. Dies kann schaltungstechnisch auch in einer potentiostatischen Schaltung geschehen, indem Referenz- und Gegenelektrode kurzgeschlossen werden.Three-electrode circuit means the use of an independent reference electrode, which is normally an electrode 2 . Type and is kept currentless. The potential of the working electrode relates to the reference electrode and the counter electrode compensates for the current flow. The potential of the counter electrode is basically not known. Two-electrode circuit means that a voltage is applied directly between the working and counter electrodes. In terms of circuitry, this can also be done in a potentiostatic circuit by short-circuiting the reference and counter electrodes.

In eine metallische Rohrleitung 2, durch die beispielsweise Trinkwasser fließt, wird eine Redox-Elektrode 7 eingebaut und mittels eines Messumformers 5 gemessen. Ein Messsystem 1 im Sinne dieser Anmeldung umfasst somit den Messumformer 5 mit einer Redox-Elektrode 7, die wiederum zumindest eine Arbeitselektrode 3 umfasst. An den Messumformer 5 sind im Beispiel noch eine Gegenelektrode 4 und eine Referenzelektrode 6 angeschlossen. Vorliegend ist die Referenzelektrode 6 Teil der Redox-Elektrode 7 und als Ag/AgCI-Referenzsystem ausgestaltet. Die Generierung der Redox-aktiven Spezies sowie die Messung des Redox-Potentials erfolgen mit einer Gold- oder Platinelektrode als Arbeitselektrode 3. Als Gegenelektrode 4 kann entweder z.B. ein vorhandener Potentialausgleichsleiter oder ein metallisches oder anderweitig elektrisch leitfähiges Stück Gefäßwandung, wie vorliegend, oder eine metallische oder anderweitig elektrisch leitfähige Armatur dienen.In a metallic pipe 2 , through which drinking water flows, for example, is a redox electrode 7th built-in and by means of a transmitter 5 measured. A measuring system 1 in the sense of this application thus includes the transmitter 5 with a redox electrode 7th which in turn have at least one working electrode 3 includes. To the transmitter 5 are also a counter electrode in the example 4th and a reference electrode 6th connected. Here is the reference electrode 6th Part of the redox electrode 7th and designed as an Ag / AgCI reference system. The generation of the redox-active species and the measurement of the redox potential are carried out with a gold or platinum electrode as the working electrode 3 . As a counter electrode 4th Either, for example, an existing equipotential bonding conductor or a metallic or otherwise electrically conductive piece of vessel wall, as in the present case, or a metallic or otherwise electrically conductive fitting can serve.

In regelmäßigen Abständen (z.B. in einem 10 min Intervall) wird beispielsweise per Relais die Platinelektrode 3 vom Messumformer 5 auf eine 1.5 V Spannungsquelle gegen die Rohrleitung für 10 s umgeschaltet. Nach Rückschalten der Elektrode auf den Messeingang des Messumformers 5, wird der Potentialverlauf an der Elektrode für eine Zeit tm aufgezeichnet und daraus der Durchfluss bestimmt, siehe 2 bzw. 3. Eine Messung F1 zeigt ein fast ruhendes Medium 10, während eine Messung F2 und F3 mit einem schnelleren Abklingverhalten einen größeren und noch größeren Durchfluss anzeigen. Mittels geeigneter Kalibriermessung kann aus dem zeitlichen Verhalten auf eine Durchflussrate geschlossen werden.The platinum electrode is activated at regular intervals (e.g. in a 10 minute interval), for example via a relay 3 from the transmitter 5 switched to a 1.5 V voltage source against the pipeline for 10 s. After switching the electrode back to the measuring input of the transmitter 5 , the potential profile at the electrode is for a time t m recorded and from this the flow rate is determined, see 2 respectively. 3 . A measurement F1 shows a medium that is almost at rest 10 , while a measurement F2 and F3 with a faster decay shows a larger and even larger flow. A flow rate can be inferred from the temporal behavior by means of a suitable calibration measurement.

Für das Verfahren sind dabei drei Fälle zu unterscheiden.A distinction must be made between three cases for the procedure.

Das Messmedium 10 enthält einen geeigneten bereits vorhandenen Redox-Mediator. In diesem Fall kann eine vorhandene Redox-Elektrode genutzt werden. Die Höhe der Potentialpulse kann aus dem Standard-Redox-Potential des Redox-Mediators abgeleitet werden.The measuring medium 10 contains a suitable already available redox mediator. In this case, an existing redox electrode can be used. The height of the potential pulses can be derived from the standard redox potential of the redox mediator.

Wenn kein geeigneter Redox-Mediator zur Verfügung steht, dann werden durch Elektrolyse des Mediums z.B. Protonen generiert.If no suitable redox mediator is available, electrolysis of the medium generates protons, for example.

In einem dritten Fall kann eine Opferelektrode genutzt werden. Eine Opferelektrode löst sich beim angelegten Potential auf und setzt lösliche Redox-Spezies frei.In a third case, a sacrificial electrode can be used. A sacrificial electrode dissolves when the potential is applied and releases soluble redox species.

Durch unterschiedlich weites Eintauchen einer oder mehrerer Arbeitselektroden senkrecht zur Flussrichtung F kann auch das Strömungsprofil bestimmt werden. Dadurch können Angaben z.B. zur Viskosität des Mediums abgeleitet werden.By immersing one or more working electrodes at different distances perpendicular to the direction of flow F. the flow profile can also be determined. This allows information to be derived, for example, on the viscosity of the medium.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht in einem flachen Abschluss der Elektrode zur Wandung, sodass durch den laminaren Bereich hindurch gemessen werden kann. Es werden keine Turbulenzen oder Strömungswiderstände eingeführt. Die Elektrode bleibt geschützt.A further advantageous embodiment consists in a flat termination of the electrode to the wall, so that measurements can be made through the laminar area. No turbulence or flow resistance is introduced. The electrode remains protected.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
MesssystemMeasuring system
22
RohrleitungPipeline
33
ArbeitselektrodeWorking electrode
44th
GegenelektrodeCounter electrode
55
DatenverarbeitungseinheitData processing unit
66th
ReferenzelektrodeReference electrode
77th
DurchflusssensorFlow sensor
1010
Mediummedium
tt
ZeitTime
tmtm
Zeit der MessungTime of measurement
FF.
DurchflussFlow
UinUin
EingangsspannungInput voltage
UoutUout
AusgangsspannungOutput voltage

Claims (12)

Verfahren zur Durchflussmessung eines Mediums (10), umfassend die Schritte: - Erzeugen einer Redox-aktiven Spezies im Medium (10), und - Messen der Konzentrationsabnahme der Redox-aktiven Spezies, wobei die Geschwindigkeit der Konzentrationsabnahme ein Maß für die Flussgeschwindigkeit (F1, F2, F3) des Mediums (10) darstellt.A method for measuring the flow of a medium (10), comprising the steps: - Generating a redox-active species in the medium (10), and - Measuring the decrease in concentration of the redox-active species, the speed of the decrease in concentration being a measure of the flow rate (F1, F2, F3) of the medium (10). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der Redox-aktiven Spezies mittels Anlegen eines Spannungspulses (Uin) an eine Arbeitselektrode (3) im Medium erfolgt, wobei die Höhe des Spannungspulses (Uin) gemäß der Redox-aktiven Spezies gewählt wird.Procedure according to Claim 1 , the redox-active species being generated by applying a voltage pulse (Uin) to a working electrode (3) in the medium, the height of the voltage pulse (Uin) being selected according to the redox-active species. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Konzentrationsabnahme mittels einer potentiometrischen Abklingkurve über die Zeit bestimmt wird.Procedure according to Claim 2 , the decrease in concentration being determined by means of a potentiometric decay curve over time. Messsystem (1) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - eine Arbeitselektrode (3), - eine Gegenelektrode (4), und - eine Datenverarbeitungseinheit (5), welche dazu ausgestaltet ist einen Spannungspuls (Uin) zwischen der Arbeitselektrode (3) und der Gegenelektrode (4) anzulegen, und eine Abklingkurve der Spannung (Uout) nach dem Spannungspuls (Uin) zu detektieren.Measuring system (1) for carrying out a method according to one of the preceding claims, comprising - a working electrode (3), - a counter electrode (4), and - a data processing unit (5) which is designed for a voltage pulse (Uin) between the working electrode ( 3) and the counter electrode (4), and to detect a decay curve of the voltage (U out ) after the voltage pulse (Uin). Messsystem (1) nach Anspruch 4, weiter umfassend - eine Referenzelektrode (6).Measuring system (1) Claim 4 , further comprising - a reference electrode (6). Messsystem (1) nach Anspruch 5, wobei ein Durchflusssensor (7) die Arbeitselektrode (3) und die Referenzelektrode (6) umfasst.Measuring system (1) Claim 5 , wherein a flow sensor (7) comprises the working electrode (3) and the reference electrode (6). Messsystem (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend - eine Opferelektrode.Measuring system (1) according to at least one of the preceding claims, further comprising - a sacrificial electrode. Messsystem (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gegenelektrode (6) gebildet ist durch eine leitfähige, insbesondere metallische Behältniswandung.Measuring system (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the counter electrode (6) is formed by a conductive, in particular metallic, container wall. Messsystem (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei mehrere Arbeitselektroden in verschiedenen Tiefen im Medium (10) angeordnet sind.Measuring system (1) according to at least one of the preceding claims, wherein a plurality of working electrodes are arranged at different depths in the medium (10). Messsystem (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinheit (5) aus der Abklingkurve mittels eines Modells eine Flussgeschwindigkeit ermittelt.Measuring system (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the data processing unit (5) determines a flow velocity from the decay curve by means of a model. Messsystem (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinheit (5) aus der Abklingkurve mittels eines Modells bei bekannter Flussgeschwindigkeit die Viskosität des Mediums ermittelt.Measuring system (1) according to at least one of the preceding claims, wherein the data processing unit (5) determines the viscosity of the medium from the decay curve by means of a model with a known flow rate. Messsystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei in dem Modell auch andere Parameter wie Diffusionskoeffizienten, Gleichgewichtskoeffizienten, Temperaturverläufe, Viskositäten, oder geometrische Verhältnisse berücksichtigt werden.Measuring system (1) Claim 10 or 11 , whereby other parameters such as diffusion coefficients, equilibrium coefficients, temperature profiles, viscosities or geometric relationships are also taken into account in the model.
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