DE102021112183A1

DE102021112183A1 - Mess-System zur Massefluss-Messung

Info

Publication number: DE102021112183A1
Application number: DE102021112183.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Falger; Jörn Lange; Thomas Blödt; Hanno Kirchgaesser; Norbert Kirchgaesser
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mess-System (1) zur Bestimmung eines von der Feuchte (rH) bereinigten Netto-Masseflusses (M') eines Mediums (2), das durch einen Leitungsabschnitt (3) fließt. Hierzu umfasst das Mess-System (1) zumindest ein Durchflussmessgerät (11), das ausgelegt ist, einen Durchfluss (V') im Leitungsabschnitt (3) zu messen, ein Feuchtemessgerät (12), das ausgelegt ist, um die Feuchte (rH) des Mediums (2) im Leitungsabschnitt (3) zu messen, und eine Auswerte-Einheit (13), die ausgelegt ist, zumindest anhand des gemessenen Durchflusses (V') und anhand der gemessenen Feuchte (rH) den Netto-Massefluss (M') des reinen Mediums (2) zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Mess-System (1) nutzt also den Effekt, dass insbesondere hochfrequenzbasierte Feuchtemessgeräte (12) in der Lage sind, den Feuchte-Anteil (rH) von Medien (2) hochgenau zu bestimmen, so dass dementsprechend ein exakter Netto-Massefluss (M') des Mediums (2) ermittelt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mess-System zur Bestimmung des Masseflusses.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung der jeweiligen Prozessvariable werden entsprechende Sensoren bzw. Messprinzipien eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder vergleichbaren Geräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen dementsprechend beispielsweise den Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder die Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Durchflussmessung von fließenden Medien in entsprechenden Leitungsabschnitten stehen je nach Art der Durchflussmessung (Massendurchfluss, Volumendurchfluss) und je nach Art bzw. Aggregatzustand des Mediums verschiedene Messprinzipien zu Verfügung: Ein Coriolis-basiertes Messverfahren ist beispielsweise in der Patentschrift EP 03241000 B1 gezeigt. Das magnetisch-induktive Messprinzip wird in der Veröffentlichungsschrift EP 00969268 A1 thematisiert. Ein-Ultraschall-basiertes Messverfahren ist in der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2014/001027 A1 gezeigt. Ein nach dem thermischen Messverfahren arbeitender Durchfluss-Sensor wird beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2014139786 A1 gezeigt. Je nach Art der Prozessanlage bzw. je nach Einsatzgebiet kann es sich bei dem Leitungsabschnitt, in dem der Durchfluss zu bestimmen ist, um ein geschlossenes Rohr, einen Abschnitt einer offenen Leitung oder um ein Gewässer handeln. Dementsprechend kann es sich bei dem Medium beispielsweise um zu verarbeitende Baustoffe wie Beton, Treib- oder Heizstoffe wie Roh-Öl oder Lebensmittel handeln. Es kann sich jedoch auch um gasförmige Medien handeln.
Je nach Messmethode wird der Durchfluss in Form eines Volumendurchflusses bestimmt, bspw. in m³/s. unter anderem beim magnetisch-induktiven Messverfahren und bei Ultraschall-basierter Messung wird der Durchfluss im Leitungsabschnitt als Volumendurchfluss bestimmt. In diesem Fall kann der Massefluss ausgehend vom gemessenen Volumenfluss jedoch lediglich indirekt mittels der bekannten Dichte des Mediums bestimmt werden. Ein schwankender Wasseranteil bzw. eine schwankende Feuchte des Mediums, beispielsweise bei wechselnder Luftfeuchte der Umgebungsluft, kann jedoch zu einer starken Variation der Dichte und somit zu einem falschen Massefluss-Wert des Mediums führen. Wenn das Durchflussmessgerät gemäß des Coriolis-Messprinzips oder gemäß des thermischen Messprinzips ausgelegt ist, kann es den Durchfluss im Leitungsabschnitt zwar als Brutto-Massedurchfluss bestimmen. Allerdings wird der Masse-Anteil der Feuchte eines Mediums in diesem Fall miteinbezogen. Gerade zur Erzeugung von pharmazeutischen Produkten oder Lebensmitteln ist es jedoch entscheidend, die Netto-Masse bzw. den Netto-Massefluss des Mediums, der von der Feuchte bzw. dem Wasseranteil korrigiert ist, zu kennen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Massefluss unter Berücksichtigung der Feuchte des Mediums messen zu können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein System zur Bestimmung des Netto-Masseflusses eines durch einen Leitungsabschnitt fließenden Mediums, das folgende Komponenten umfasst:

- Ein Durchflussmessgerät, das ausgelegt ist, im Leitungsabschnitt einen Durchfluss als Volumenfluss oder Brutto-Massedurchfluss zu messen,
- Ein Feuchtemessgerät, das ausgelegt ist, um die Feuchte des Mediums (bspw. als relative Feuchte) im Leitungsabschnitt zu messen, und
- eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, zumindest anhand
- ◯ des gemessenen Durchflusses und anhand
- ◯ der gemessenen Feuchte
den Netto-Massefluss des Mediums zu bestimmen.

Dabei wird unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung bzw. Hardware verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung, wie ein FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. Konkret kann es sich bei der Auswertungs-Einheit also beispielsweise auch um eine Prozessleitzentrale der Prozessanlage oder um einen dezentralen Server handeln.
Das erfindungsgemäße Mess-System basiert auf der Erkenntnis, dass insbesondere hochfrequenzbasierte Feuchtemessgeräte in der Lage sind, die Feuchte von Medien hochgenau zu bestimmen, so dass dementsprechend ein exakter Netto-Massefluss des Mediums ermittelt werden kann. Hierzu kann das Feuchtemessgerät beispielsweise ausgelegt sein, die Feuchte

- gemäß eines TDR-Verfahrens („Time Domain Refiectometry“), wie beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift EP 0622 628 A2 beschrieben ist,
- analog zu Radar-basierter Abstandsmessung gemäß eines Pulslaufzeit-Verfahrens, oder
- mittels Phasenmessung, wie unter anderem in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2017 130728 A1 beschrieben ist,

Sofern das erfindungsgemäße Mess-System zusätzlich ein Dichtemessgerät umfasst, das ausgelegt ist, die Dichte des Mediums im Leitungsabschnitt zu messen, ist es nicht erforderlich, dass in der Auswerte-Einheit des Mess-Systems eine Kompensationsfunktion hinterlegt ist, welche die Dichte des Mediums in Abhängigkeit der Feuchte (rH) abbildet. Für den Fall, dass das Durchflussmessgerät ausgelegt ist, den Brutto-Massedurchfluss zu bestimmen, ist es weder notwendig, dass das Mess-System ein Dichtemessgerät umfasst, noch, dass in der Auswerte-Einheit des Mess-Systems eine Kompensationsfunktion hinterlegt ist.
Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Mess-System wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Masseflusses mittels des Mess-Systems gelöst. Demnach umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

- Messung des Durchflusses des Mediums im Leitungsabschnitt,
- Messung der Feuchte des Mediums im Leitungsabschnitt, und
- Bestimmung des Masseflusses zumindest anhand des gemessenen Durchflusses und anhand der gemessenen Feuchte.

Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Ein erfindungsgemäßes Mess-System zur Messung des Massendurchflusses an einem Leitungsabschnitt.

Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Rohrleitungsabschnitt 3 gezeigt, der von einem Medium 2 durchströmt wird. Dabei ist der Rohrleitungsabschnitt 3 beispielsweise Bestandteil einer Raffinerie oder einer Prozessanlage, der zur Herstellung von Pharmazeutika dient.
Dabei ist zur Steuerung der Prozessanlage bzw. des Verarbeitungs-Prozesses der Massendurchfluss M' (in kg/s oder einer vergleichbaren Einheit) des reinen Mediums 2 zu bestimmen, also ohne einen etwaigen Feuchteanteil. Erfindungsgemäß sind am Leitungsabschnitt 3 daher ein Durchflussmessgerät 11 zur Bestimmung des Volumendurchflusses V' (in der Regel in m³/s) und ein Feuchtemessgerät 12 derart angeordnet, um die entsprechenden Größen bestimmen zu können. Als Durchflussmessgerät 11 kann beispielsweise ein nach dem thermischen Prinzip arbeitendes oder ein Ultraschall-basiertes Gerät eingesetzt werden.
Das Feuchtemessgerät 12 kann insbesondere als Hochfrequenz-basiertes Gerät ausgelegt sein, um die Feuchte hochgenau bestimmen zu können, beispielsweise mittels des TDR-Prinzips. Zusammen mit einer Auswerte-Einheit 13 bilden das Durchflussmessgerät 11 und das Feuchtemessgerät 12 ein Mess-System 1 zur Bestimmung des Massedurchflusses M'. Hierzu sind das Feuchtemessgerät 12 und das Durchflussmessgerät 11 jeweils mit der Auswertungs-Einheit 13 verbunden, um die gemessene Feuchte rH bzw. den gemessenen Volumenfluss V' zu übermitteln. Zur Berechnung des Masseflusses M' ist in der Auswertungs-Einheit 13 eine Kompensationsfunktion σ(rH) hinterlegt, welche die Dichte σ des jeweiligen Mediums 2 in Abhängigkeit der relativen Feuchte rH beschreibt. Dabei kann es sich bei der Funktion σ(rH) um eine mathematische Funktion oder eine Tabelle handeln, die jeweils mittels Kalibrations-Messungen am konkreten Medium 2 erstellt ist. Anhand der Kompensationsfunktion σ(rH) und der Messwerte V', rH kann die Auswertungs-Einheit 13 den Massefluss M' des reinen Mediums 2 gemäß $M' = V' * σ (r H)$
als von der Feuchte rH bereinigter Wert ermittelt werden.
Anstelle einer hinterlegten Kompensationsfunktion σ(rH) ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, das Mess-System 1 um ein Dichtemessgerät zu erweitern, welches die momentane Brutto-Dichte σ im Rohrleitungsabschnitt 3 misst (nicht in 1 dargestellt).
Sofern das Mess-System 1 zusätzlich ein Dichtemessgerät zur Messung der Brutto-Dichte σ umfasst und eine Kompensationsfunktion σ(rH) des Mediums 2 hinterlegt ist, so kann die Auswertungs-Einheit 13 den Massedurchfluss M' prinzipiell sogar dann zu bestimmen, wenn sich im Rohrleitungsabschnitt 3 neben dem Medium 2 und dem Feuchteanteil rH noch ein weiterer Stoff, wie beispielsweise eine Verunreinigung befindet. In diesem Fall ist das entsprechende Gleichungssystem überbestimmt, wodurch eine korrespondierende, zweite Variable berechnet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Mess-System
2: Medium
3: Leitungsabschnitt
11: Durchflussmessgerät
12: Feuchtemessgerät
13: Auswerte-Einheit
M': Massefluss des Mediums
rH: Feuchte im Medium
V': Durchfluss
σ: Dichte des Mediums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 03241000 B1 [0003]
EP 00969268 A1 [0003]
WO 2014/001027 A1 [0003]
WO 2014139786 A1 [0003]
EP 0622628 A2 [0008]
DE 102017130728 A1 [0008]

Claims

Mess-System zur Bestimmung des Masseflusses (M') eines durch einen Leitungsabschnitt (3) fließenden Mediums (2), umfassend: - Ein Durchflussmessgerät (11), das ausgelegt ist, einen Durchfluss (V') im Leitungsabschnitt (3) zu messen, - Ein Feuchtemessgerät (12), das ausgelegt ist, um die Feuchte (rH) des Mediums (2) im Leitungsabschnitt (3) zu messen, und - eine Auswerte-Einheit (13), die ausgelegt ist, um zumindest anhand o des gemessenen Durchflusses (V') und o der gemessenen Feuchte (rH) den Massefluss (M’) des Mediums (2) zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, wobei das Feuchtemessgerät (1) ausgelegt ist, die Feuchte (rH) des Mediums (2) mittels Hochfrequenz-Signalen zu ermitteln.
System nach Anspruch 2, wobei das das Feuchtemessgerät (1) ausgelegt ist, die Feuchte (rH) gemäß eines TDR-Verfahrens, gemäß eines Pulslaufzeit-Verfahrens, oder mittels Phasenmessung zu ermitteln.
System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Durchflussmessgerät (11) insbesondere gemäß des Coriolis- oder thermischen Messprinzips ausgelegt ist, um den Durchfluss (V') als einen Massedurchfluss im Leitungsabschnitt (3) zu bestimmen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Durchflussmessgerät (11) ausgelegt ist, den Durchfluss (V') insbesondere magnetisch-induktiv oder mittels Ultraschall als einen Volumendurchfluss im Leitungsabschnitt (3) zu bestimmen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Auswerte-Einheit (13) eine Kompensationsfunktion (σ(rH)) hinterlegt ist, welche die Dichte (σ) des Mediums (2) in Abhängigkeit der Feuchte (rH) abbildet.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Ein Dichtemessgerät, das ausgelegt ist, die Dichte (σ) des Mediums (2) im Leitungsabschnitt (3) zu messen.
Verfahren zur Bestimmung eines Masseflusses (M') eines durch einen Leitungsabschnitt (3) fließenden Mediums (2) mittels des Systems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Messung des Durchflusses (V') des Mediums (2) im Leitungsabschnitt (3), - Messung der Feuchte (rH) des Mediums (2) im Leitungsabschnitt (3), und - Bestimmung des Masseflusses (M') zumindest anhand des gemessenen Durchflusses (V') und anhand der gemessenen Feuchte (rH).