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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Massenflussmessvorrichtung zum Ermitteln eines Massenflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung mit einer solchen Massenflussmessvorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus dem Stand der Technik sind Massenflussmessvorrichtungen bereits bekannt, die dazu vorgesehen sind, einen Massenfluss eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung zu ermitteln. Insbesondere sind solche Massenflussmessvorrichtungen als Einbauten zum Einfügen in der Rohrleitung und basierend auf der Messung von Corioliskräften bekannt, welche jedoch nachteilig sehr teuer sind und durch die notwendige Umlenkung des Fluids einen vergleichsweise hohen Druckverlust erzeugen. Es sind weiterhin Durchflussmessvorrichtungen bekannt, die beispielsweise auf einer Rohrleitung aufgeklemmt werden, die als Einbauten zum Einfügen in der Rohrleitung ausgeführt sind und/oder die Messfühler zum Eindringen in die Rohrleitung aufweisen. Bekannte Durchflussmessvorrichtungen sind beispielsweise Ultraschall- Durchflussmessvorrichtungen oder magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtungen. Nachteilig kann mit den genannten Durchflussmessvorrichtungen allerdings nur ein Volumenfluss und kein Massenfluss eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung ermittelt werden. Es ist jedoch oft verfahrenstechnisch notwendig, den Massenfluss zu ermitteln.
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Beschreibung der Erfindung
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Ausgehend von dieser Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Ermitteln des Massenflusses zu ermöglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sofern technisch möglich, können die Lehren der Unteransprüche beliebig mit den Lehren der Haupt- und Unteransprüche kombiniert werden.
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Nachfolgend werden Vorteile der beanspruchten Erfindungsaspekte erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der Erfindungsaspekte beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt.
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Soweit Elemente mit Hilfe einer Nummerierung bezeichnet sind, also beispielsweise „erstes Bauteil“, „zweites Bauteil“ und „drittes Bauteil“, so ist diese Nummerierung rein zur Differenzierung in der Bezeichnung vorgesehen und stellt keine Abhängigkeit der Elemente voneinander oder eine zwingende Reihenfolge der Elemente dar. Das heißt insbesondere, dass eine Vorrichtung nicht ein „erstes Bauteil“ aufweisen muss, um ein „zweites Bauteil“ aufweisen zu können. Auch kann die Vorrichtung ein „erstes Bauteil“, sowie ein „drittes Bauteil“ umfassen, ohne aber zwangsläufig ein „zweites Bauteil“ aufzuweisen. Es können auch mehrere Einheiten eines Elements einer einzelnen Nummerierung vorgesehen sein, also beispielsweise mehrere „erste Bauteile“.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Massenflussmessvorrichtung zum Ermitteln eines Massenflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung, aufweisend einen Rohrabschnitt zum Einfügen in die Rohrleitung, eine Durchflussmessvorrichtung zum Messen einer Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums, ein an der Außenseite des Rohrabschnitts angeordnetes Refraktometer zum Ermitteln des Brechungsindexes des fluiden Mediums, wobei der Rohrabschnitt zumindest in einem ersten Bereich aus einem für eine erste Wellenlänge transparenten Material ausgebildet ist und ein Prisma des Refraktometers an den ersten Bereich angrenzend angeordnet ist, und wobei das Refraktometer dazu eingerichtet ist, dass als Messsignal eine optische Strahlung der ersten Wellenlänge den Rohrabschnitt in dem ersten Bereich durchstrahlt.
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Ein fluides Medium ist insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas. Das fluide Medium kann auch als Mischung, beispielsweise als Mischung mehrerer flüssiger Phasen, flüssiger und fester Phasen, flüssiger und gasförmiger Phasen oder gasförmiger und fester Phasen ausgebildet sein.
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Insofern der Rohrabschnitt in eine Rohrleitung eingefügt wird, wird an einem ersten Ende des Rohrabschnitts ein Zulauf der Rohrleitung an dem Rohrabschnitt angeschlossen und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende ein Ablauf der Rohrleitung an dem Rohrabschnitt angeschlossen. Der Rohrabschnitt bildet dann einen Teil der Rohrleitung und weist dazu bevorzugt zumindest abschnittsweise den Innendurchmesser der Rohrleitung auf. Ein Rohrabschnitt kann beispielsweise mittels endseitiger Flansche oder mittels Gewinden in eine Rohrleitung eingefügt werden.
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Insofern das Refraktometer an der Außenseite des Rohrabschnitts angeordnet ist, ist es vollständig außerhalb des Rohrabschnitts angeordnet und insofern nicht-invasiv ausgebildet. Es dringen also keinerlei Bauteile des Refraktometers in den Rohrabschnitt ein. Der Rohrabschnitt weist dann bevorzugt über seine gesamte axiale Erstreckung einen geschlossenen kreisrunden Querschnitt ohne Strömungshindernisse auf.
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Der erste Bereich ist durch die Rohrwandung des Rohrabschnitts gebildet bzw. bildet zumindest einen Teil dieser Rohrwandung aus. Insofern der erste Bereich aus einem für die erste Wellenlänge transparenten Material ausgebildet ist, kann zumindest ein für eine Messung des Refraktometers ausreichender Anteil einer Strahlung der ersten Wellenlänge durch den ersten Bereich hindurchdringen. Insbesondere ist der Brechungsindex des Materials bzw. des ersten Bereichs bekannt, sodass ein Einfluss des ersten Bereichs auf ein Messsignal bekannt ist und bei einem durch das Refraktometer ermittelten Brechungsindex berücksichtigt werden kann. Das unmittelbar an den ersten Bereich angrenzende Prisma des Refraktometers und der erste Bereich selber stellen insofern zusammen ein Medium mit bekanntem Brechungsindex dar, wobei das Refraktometer den Brechungsindex des fluiden Mediums durch Beobachtung des Brechungsverhaltens des Messsignals beim Übergang zwischen fluidem Medium einerseits und erstem Bereich sowie Prisma andererseits ermittelt.
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Der erste Aspekt der Erfindung umfasst nun die Lehre, dass neben einer Durchflussmessvorrichtung ein nicht-invasives Refraktometer den Brechungsindex des fluiden Mediums ermittelt, wobei aus dem Brechungsindex die Dichte des fluiden Mediums berechnet werden kann. Aus der Dichte und der durch die Durchflussmessvorrichtung gemessene Fließgeschwindigkeit kann bei Kenntnis der Geometrie des Rohabschnitts dann der Massenfluss ermittelt werden. Dabei ist eine solche Massenflussmessvorrichtung besonders einfach und insofern kostengünstig aufgebaut. Insbesondere ist der Rohrabschnitt geometrisch einfach aufgebaut. Mit der Massenflussmessvorrichtung nach dem ersten Erfindungsaspekt kann vorteilhaft der Massenfluss für beliebige fluide Medien unabhängig von Ihren Aggregatzuständen und ihren Zusammensetzungen ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist das Refraktometer und bevorzugt die gesamte Massenflussmessvorrichtung nicht-invasiv ausgeführt, sodass ein geringer Druckverlust und eine Eignung für korrosive, giftige, explosionsgefährdete, abrasive und/oder hochreine fluide Medien erreicht werden kann. Der Rohrabschnitt kann dazu aus einem entsprechend beständigen Material ausgebildet sein.
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Insofern das Messsignal den Rohrabschnitt in dem ersten Bereich durchstrahlt, findet die Messung durch diesen ersten Bereich statt. Insbesondere durchstrahlt das Messsignal den ersten Bereich einmal ausgehend von einer Strahlungsquelle hin zu dem fluiden Medium und nochmals nach Transmittieren und/oder Reflektieren an dem fluiden Medium.
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In einer Ausführungsform ist das Refraktometer zum Ermitteln des Brechungsindexes des fluiden Mediums dazu eingerichtet, zumindest eine Eigenschaft eines an dem fluiden Medium transmittierten Anteils und/oder eines an dem fluiden Medium reflektierten Anteils des Messsignals zu erfassen. Diese Eigenschaft ist insbesondere zumindest ein Reflexionswinkel. Beispielsweise wird das Messsignal auf eine ersten Seite des Prismas eingestrahlt, wobei eine Bündelung mehrerer paralleler Strahlen in einen Punkt erfolgt. Die in dem Punkt konzentrierten Strahlen weisen dann unterschiedliche Einfallswinkel auf, die sich über einen Winkelbereich auffächern. Abhängig von dem Brechungsindex des fluiden Mediums werden die Strahlen abhängig von ihrem Einfallswinkel unterschiedlich stark reflektiert. Durch die Betrachtung der reflektierten Strahlen, die an einer zweiten Seite des Prismas nach der Reflexion an dem fluiden Medium austreten, kann insofern der Brechungsindex ermittelt werden. Beispielsweise wird dazu betrachtet, bei welchen Einfallswinkeln eine Totalreflexion erfolgt, der reflektierte Signalanteil also 100% beträgt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Strahlungsquelle auf einer dem Prisma gegenüberliegenden Seite des Rohrabschnitts angeordnet und strahlt das Messsignal unmittelbar oder beispielsweise über ein weiteres Prisma mittelbar in das fluide Medium. Es wird dann ein durch das fluide Medium transmittierter Anteil des Messsignals betrachtet. Der erste Bereich erstreckt sich dafür bevorzugt beidseitig des Rohrabschnitts oder es ist ein dem ersten Bereich entsprechender zweiter Bereich dem ersten Bereich gegenüberliegend ausgebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des ersten Erfindungsaspekts ist das Refraktometer dazu eingerichtet, den Brechungsindex des fluiden Mediums nach dem snelliusschen Brechungsgesetz, der Gladstone-Dale-Gleichung und/oder der Lorentz-Lorenz-Gleichung zu ermittelt. Es kann dann aus dem beobachteten Messsignal/Messsignalanteil sicher der Brechungsindex ermittelt werden, sowohl für einphasige fluide Medien als auch für gleichphasige oder mehrphasige Gemische.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt die erste Wellenlänge im Bereich von sichtbarem Licht oder Infrarotstrahlung. Bei diesen Wellenlängen ist eine sichere und einfache Ermittlung des Brechungsindex ermöglicht. Für diese Wellenlängen sind zudem Materialen verfügbar, die gleichzeitig eine gute Transparenz und vorteilhafte Eigenschaften bezüglich des fluiden Mediums aufweisen, beispielsweise eine Eignung für korrosive, giftige, explosionsgefährdete, abrasive und/oder hochreine fluide Medien.
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Besonders bevorzugt ist der Rohrabschnitt zumindest in dem ersten Bereich aus einem Kunststoff ausgebildet, insbesondere aus Perfluoralkoxy (PFA). Mittels einem solchen Material können transparente Eigenschaften für das Messsignal sowie eine Eignung für korrosive, giftige, explosionsgefährdete, abrasive und/oder hochreine fluide Medien erreicht werden. Weiterhin können mit solchen Materialen günstige Fließeigenschaften an einer Innenseite des ersten Bereichs erreicht werden.
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Der erste Bereich erstreckt sich in einer Ausführungsform über einen Teilbereich des Rohrabschnitts und ist insofern beispielsweise als Fenster oder ringförmig ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Bereich durch den gesamten Rohrabschnitt gebildet. Der Rohrabschnitt ist dann homogen ausgebildet und auf das Einfügen eines ersten Bereichs in einem anderweitig ausgebildeten Rohrabschnitt kann verzichtet werden.
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In noch einer bevorzugten Ausführungsform weist die Massenflussmessvorrichtung eine LED als Quelle für die optische Strahlung auf. Die LED ist beispielsweise zum Ausstrahlen von Licht in einem sichtbaren Wellenlängenbereich oder als IR-LED zum Ausstrahlen von Infrarotstrahlung ausgebildet. Mit einer LED kann vorteilhaft auf einfache, kostengünstige und energieeffiziente Weise ein Messignal einer Wellenlänge oder zumindest in einem engem Wellenlängenbereich erzeugt werden. Der LED kann ferner ein Wellenlängenfilter zum Eingrenzen des Messsignals auf genau eine Wellenlänge zugeordnet sein.
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In einer Ausführungsform ist die Durchflussmessvorrichtung an der Außenseite des Rohrabschnitts angeordnet. Die Massenflussmessvorrichtung ist dann voreilhaft kompakt ausgebildet und alle Elemente sind an dem Rohabschnitt angeordnet, sodass die Massenflussmessvorrichtung durch Einbau des Rohrabschnitts in einer Rohrleitung einfach montiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist die Durchflussmessvorrichtung nicht-invasiv, insbesondere als Ultraschall-Durchflussmessvorrichtung oder magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung, ausgebildet. Denkbar sind allerdings auch Durchflussmessvorrichtung, die nach dem Vortex- oder kalorimetrischen Prinzip arbeiten. Vorteilhaft ist dann die gesamte Massenflussmessvorrichtung nicht-invasiv ausgebildet, sodass ein geringer Druckverlust und eine Eignung für korrosive, giftige, explosionsgefährdete, abrasive und/oder hochreine fluide Medien erreicht werden kann. Mittels nicht-invasiven Durchflussmessvorrichtungen ist zudem ein Messen der Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums auf einfache und sichere Weise ermöglicht.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Massenflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung mit einer Massenflussmessvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei mittels des Refraktometers ein Brechungsindex des fluiden Mediums ermittelt wird, wobei aus dem Brechungsindex eine Dichte des fluiden Mediums berechnet wird, wobei mittels der Durchflussmessvorrichtung eine Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums gemessen wird, und wobei aus der Dichte des fluiden Mediums, der Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums und aus einem Innendurchmesser des Rohrabschnitts ein Massenfluss des fluiden Mediums berechnet wird.
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Das Verfahren weist die Vorteile der Massenflussmessvorrichtung nach dem ersten Erfindungsaspekt entsprechend auf. Insbesondere ist mittels dem Verfahren nach dem zweiten Erfindungsaspekt auf einfache Weise und mit einfachen sowie kostengünstigen Mitteln der Massenfluss eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung ermittelbar. Dabei ist die Ermittlung des Massenflusses nicht-invasiv ermöglicht, sodass ein geringer Druckverlust und eine Eignung für korrosive, giftige, explosionsgefährdete, abrasive und/oder hochreine fluide Medien erreicht werden kann.
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Die Massenflussmessvorrichtung weist besonders bevorzugt eine Datenverarbeitungseinrichtung, eine Steuervorrichtung und/oder einen nichtflüchtigen Datenspeicher zum Ausführen des Verfahrens nach dem zweiten Aspekt der Erfindung auf.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Erfindungsaspekt wird zum Ermitteln des Brechungsindexes des fluiden Mediums zumindest eine Eigenschaft, insbesondere ein Reflexionswinkel, eines an dem fluiden Medium transmittierten Anteils und/oder eines an dem fluiden Medium reflektierten Anteils des Messsignals erfasst. Auf diese Weise ist eine einfache und sichere Ermittlung des Brechungsindexes des fluiden Mediums ermöglicht.
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In noch einer Ausführungsform des Verfahrens nach dem zweiten Erfindungsaspekt wird der Brechungsindex nach dem snelliusschen Brechungsgesetz, der Gladstone-Dale-Gleichung und/oder der Lorentz-Lorenz-Gleichung ermittelt. Es kann dann aus dem beobachteten Messsignal/Messsignalanteil sicher der Brechungsindex ermittelt werden, sowohl für einphasige fluide Medien als auch für gleichphasige oder mehrphasige Gemische.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Formulierung Figur ist in den Zeichnungen mit Fig. abgekürzt.
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In den Zeichnungen zeigen
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Massenflussmessvorrichtung nach einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung; und
- 2 ein Verfahrensschaubild eines Verfahrens nach einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbespiele
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. Jedes Merkmal, das für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird, kann eigenständig oder in Kombination mit anderen Merkmalen in einem beliebigen anderen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Jedes Merkmal, das für ein Ausführungsbeispiel einer bestimmten Anspruchskategorie beschrieben wird, kann auch in entsprechender Weise in einem Ausführungsbeispiel einer anderen Anspruchskategorie eingesetzt werden.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch eine koaxial um eine Achse AX angeordnete Rohrleitung 1 mit darin eingebauter Massenflussmessvorrichtung 2. Die Massenflussmessvorrichtung 2 weist einen Rohrabschnitt 3 auf, der mittels Flanschen 3.1, 3.2 mit einem Flansch 1.1 eines Zulaufs der Rohrleitung 1 einerseits und einem Flansch 1.2 eines Ablaufs der Rohrleitung 1 andererseits verbunden ist, wobei die Flansche 1.1, 1.2, 3.1, 3.2 jeweils über Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. In einem Innenraum 1.3 der Rohrleitung 1 bzw. des Rohrabschnitts 3, wird ein fluides Medium geführt.
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In der Wandung des Rohrabschnitts 3 ist ein erster Bereich 3.3 aus einem für eine erste Wellenlänge transparenten Material ausgebildet, der als Fenster ausgeführt ist. Außerhalb des ersten Bereichs 3.3 ist an dem Rohrabschnitt 3 ein Refraktometer 4 angeordnet, das ein Gehäuse 4.1 mit einer darin angeordneten Quelle 4.2 für ein Messsignal 5, einem unmittelbar an dem ersten Bereich 3.3 anliegenden Prisma 4.3 und einem Sensor 4.4 aufweist. Die Quelle 4.2 weist insbesondere eine LED und einen Wellenlängenfilter auf. Das von der Quelle 4.2 erzeugte Messsignal 5 besteht aus einem Bündel von optischen Strahlen der ersten Wellenlänge mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und wird auf einer Seite in das Prisma 4.3 eingestrahlt. Von dort tritt das Messsignal 5 unter Brechung in den ersten Bereich 3.3 über und wird an dem Übergang zwischen ersten Bereich 3.3 und fluiden Medium in einem ersten Anteil 5.1 gebrochen transmittiert und in einem zweiten Anteil 5.2 reflektiert. Ein reflektierter Anteil 5.2 des Messignals 5 wird dahingehend durch den Sensor 4.4 beobachtet, für welchen Einfalls- bzw. Reflexionswinkel die Strahlen des Messsignals 5 vollständig reflektiert werden, wodurch auf den Brechungsindex des fluiden Mediums geschlossen werden kann.
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An dem Rohrabschnitt 3 ist weiterhin eine nicht näher im Detail dargestellte Durchflussmessvorrichtung 6 angeordnet, die beispielweise als Ultraschall-Durchflussmessvorrichtung oder als magnetisch-induktive Durchflussmessvorrichtung ausgebildet sein kann und die Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums misst. Mit einem bekannten Innendurchmesser D des Rohrabschnitts 3 kann aus der Fließgeschwindigkeit und einer aus dem Brechungsindex abgeleiteten Dichte des fluiden Mediums ein Massenfluss in dem Rohrabschnitt 3 berechnet werden.
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2 zeigt ein Verfahrensschaubild eines Verfahrens 10 nach dem zweiten Erfindungsaspekt zum Ermitteln eines Massenflusses eines fluiden Mediums in einer Rohrleitung 1 mittels einer Massenflussmessvorrichtung 1. In einem ersten Schritt 11 wird mittels des Refraktometers 4 ein Brechungsindex des fluiden Mediums ermittelt. Dazu wird insbesondere eine Eigenschaft des Messignals 5 durch den Sensor 4.4 erfasst. Der Brechungsindex wird bevorzugt nach dem snelliusschen Brechungsgesetz, der Gladstone-Dale-Gleichung und/oder der Lorentz-Lorenz-Gleichung ermittelt. In einem zweiten Schritt 12 wird aus dem Brechungsindex eine Dichte des fluiden Mediums berechnet. In einem dritten Schritt 13 wird mittels der Durchflussmessvorrichtung 6 eine Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums gemessen. Letztlich wird in einem vierten Schritt 14 aus der Dichte des fluiden Mediums, der Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums und aus einem Innendurchmesser D des Rohrabschnitts 3 ein Massenfluss des fluiden Mediums berechnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrleitung
- 1.1
- Flansch
- 1.2
- Flansch
- 1.3
- Innenraum
- 2
- Massenflussmessvorrichtung
- 3
- Rohrabschnitt
- 3.1
- Flansch
- 3.2
- Flansch
- 3.3
- erster Bereich
- 4
- Refraktometer
- 4.1
- Gehäuse
- 4.2
- Quelle
- 4.3
- Prisma
- 4.4
- Sensor
- 5
- Messsignal
- 5.1
- transmittierter Anteil des Messsignals
- 5.2
- reflektierter Anteil des Messsignals
- 6
- Durchflussmessvorrichtung
- 10
- Verfahren
- 11
- erster Schritt des Verfahrens
- 12
- zweiter Schritt des Verfahrens
- 13
- dritter Schritt des Verfahrens
- 14
- vierter Schritt des Verfahrens
- AX
- Achse
- D
- Innendurchmesser
