DE102022117250A1

DE102022117250A1 - Verfahren und Fluidistor zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, Verwendung und Fluid-Bereitstellungs-Einheit

Info

Publication number: DE102022117250A1
Application number: DE102022117250.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Strohmann; Lukas Mennicke; Klaus Hofmann; Ferdinand Keil
Original assignee: ESTERS ELEKTRONIK GmbH
Current assignee: ESTERS ELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Fluidistor zum Untersuchen der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Fluidistors und eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Verfahren und Fluidistor zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, Verwendung und Fluid-Bereitstellungs-Einheit
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids. Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Fluidistor zum Untersuchen der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Fluidistors und eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit.
Stand der Technik
Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung der Zusammensetzung eines Fluids sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann innerhalb eines in einer Strömungsleitung strömenden Fluids einmal entlang und einmal entgegen der Strömungsrichtung des Fluids die Laufzeit einer Ultraschallwelle zwischen jeweils einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger innerhalb des Fluidstroms gemessen werden. Die Fluidbewegung hat dabei Einfluss auf die Laufzeitmessung. Durch die beiden Messungen kann der Einfluss der Fluidbewegung herausgerechnet werden. Ausgehend von den gemessenen Laufzeiten können dann, ggf. unter Einbeziehung weiterer Daten, Aussagen über die Zusammensetzung des Fluids getätigt werden. Allerdings ist dieses Vorgehen relativ kompliziert und teuer. Außerdem ist es wünschenswert, die Genauigkeit der Ergebnisse weiter zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und insbesondere Mittel anzugeben, mit denen die Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids in einfacher und zuverlässiger Weise aber dennoch mit hoher Genauigkeit untersucht werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, das Verfahren aufweisend:

Führen zumindest eines Teils des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch einen Fluidistor;
Bestimmen einer zu einem spezifischen Zeitpunkt bestehenden Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch einen innerhalb zumindest eines Oszillations-Kanals des Fluidistors oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz, wobei sich zu dem spezifischen Zeitpunkt die Strömungsrichtung des oszillierenden Teils des Messfluids in dem Oszillations-Kanal umkehrt; und
Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz,

Der Erfindung liegt damit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich zu bestimmten Zeitpunkten das Fluid innerhalb des Oszillations-Kanals des Fluidistors in einem ruhenden Zustand insoweit befindet, als die Schallgeschwindigkeit und damit eine physikalische Eigenschaft des Fluids durch eine zu diesen Zeitpunkten durchgeführte einzelne Ultraschall-Laufzeitmessung ermittelbar ist.
Damit kann der Wert der zu dem spezifischen Zeitpunkt bestehenden Laufzeit, mithin die spezifische Laufzeit, auch als besonders vorteilhafte und zuverlässige Ausgangsbasis für die Untersuchung der Zusammensetzung des Fluids verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht es daher, selbst das strömende Fluid zu untersuchen.
Mit anderen Worten ausgedrückt, kann im Oszillations-Kanal des Fluidistors sozusagen eine Probe des in der Strömungsleitung strömenden Fluids in einem (jedenfalls aus Sicht einer Laufzeitmessung) Zustand der Ruhe vermessen und untersucht werden. Auch wenn sich zu den spezifischen Zeitpunkten das im Oszillations-Kanal befindliche Fluid im Lichte anderer physikalischer Eigenschaften womöglich nicht im eigentlichen Sinne „in Ruhe“ befinden mag, so ist dies jedenfalls für die Laufzeitmessung überraschenderweise im Ergebnis der Fall.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Messverfahren, ist die Schallgeschwindigkeit, bzw. der ihrer Bestimmung zugrundeliegende Wert der Laufzeit, damit sogar prinzipiell mit nur einer einzigen Ultraschallmessung ermittelbar, wenn diese Messung nämlich zu dem spezifischen Zeitpunkt durchgeführt wird. Allerdings ist das Verfahren nicht darauf beschränkt, denn es ist nur erforderlich, dass die zu dem spezifischen Zeitpunkt bestehende spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz ermittelt wird, ohne dass diese dazu auch tatsächlich zu dem spezifischen Zeitpunkt gemessen sein muss. Die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz kann auch anhand von Messungen zu einem oder mehreren anderen Zeitpunkten (insbesondere zusätzlich oder alternativ zu wenigstens einer Messung zu dem spezifischen Zeitpunkt) bestimmt werden.
Somit lässt sich basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz die Zusammensetzung des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids besonders einfach und zuverlässig sowie auch präzise untersuchen.
Unter einem oszillierenden Fluid wird dabei insbesondere ein Fluid verstanden, dessen Strömungsrichtung sich periodisch umkehrt. Oszilliert das Fluid also in einem Kanalabschnitt, so strömt es innerhalb des Kanalabschnitts abwechselnd in die eine Richtung und dann wieder in die andere, dazu antiparallel verlaufende, Richtung.
Das Messen der Phasendifferenzen zwischen gesendetem und empfangenem Ultraschallsignal bietet gleichermaßen eine Möglichkeit, die Zusammensetzung des Fluids zu bestimmen. Während bei der Laufzeitmessung etwa die Zeit vom sendeseitigen Aussenden bis zum empfangsseitigen Empfangen des Ultraschallsignals gemessen wird, wird bei der Phasendifferenzmessung der Phasenunterschied zwischen dem sendeseitig ausgesendeten und dem empfangsseitig empfangenen Ultraschallsignal gemessen. Daher gelten alle in Bezug auf die Laufzeitmessungen gemachten Ausführungen entsprechend auch für die Phasendifferenzmessungen, sofern aus dem Zusammenhang nichts anderes ersichtlich ist. Es genügt daher, wenn in der vorliegenden Anmeldung hauptsächlich auf die Laufzeitmessungen eingegangen wird, wobei die Überlegungen dann jeweils entsprechend auf die Phasendifferenzmessungen übertragbar sind.
Vorzugsweise erfolgt eine Laufzeitmessung, indem die Zeit vom sendeseitigen Aussenden bis zum empfangsseitigen Empfangen des Ultraschallsignals gemessen wird. Vorzugsweise erfolgt die Phasendifferenzmessung, indem der Phasenunterschied zwischen dem sendeseitig ausgesendeten und dem empfangsseitig empfangenen Ultraschallsignal gemessen wird.
Ultraschallmessungen ermöglichen dabei Messungen, die berührungslos durchgeführt werden können, wodurch das Verfahren besonders robust ist. Gleichzeitig können Ultraschallmessungen besonders zuverlässig und mit günstigen und im Prinzip einfachen Mitteln durchgeführt werden. Dadurch kann das Verfahren sehr wirtschaftlich durchgeführt werden und präzise Ergebnisse erreicht werden.
Als besonders vorteilhaft ist außerdem anzumerken, dass das vorgeschlagene Verfahren vorteilhafterweise weitestgehend oder sogar vollkommen verschleißfrei arbeiten kann, da (jedenfalls in Bezug auf den Fluidistor selbst) keine Teile mechanisch bewegt werden müssen. Außerdem lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren das strömende Fluid kontinuierlich überwachen.
Der grundsätzliche Aufbau sowie das Arbeits- und Wirkprinzip eines Fluidistor sind bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE2840993A1 .
Ein vorteilhafter Fluidistor, wie er vorzugsweise auch in dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt wird, weist einen Fluideinlass, durch den ein Fluid (beispielsweise also das Messfluid) in den Fluidistor hineinströmbar ist, und einen Fluidauslass, durch den das Fluid aus dem Fluidistor hinausströmbar ist, sowie einen Hauptkanal, der den Fluideinlass und den Fluidauslass zumindest abschnittsweise fluidal miteinander verbindet, auf. Innerhalb des Hauptkanals ist ein Störkörper angeordnet, der von dem Fluid an zwei Seiten umströmbar ist. Der Hauptkanal weist, insbesondere auf Höhe des Störkörpers oder, insbesondere um bis zu 50 cm, vorzugsweise um bis zu 30 cm, vorzugsweise um bis zu 15 cm, vorzugsweise um bis zu 10 cm, vorzugsweise um bis zu 5 cm, stromauf- oder stromabwärts zu dem Störkörper versetzt, zwei Öffnungen auf, die beide durch einen Oszillations-Kanal fluidal miteinander verbunden sind und wobei sich vorzugsweise die beiden Öffnungen (i) in verschiedenen, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Ebenen, beispielsweise von zwei sich gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals des Fluidistors, (ii) in einer gemeinsamen Ebene, wobei insbesondere die beiden Öffnungen an unterschiedliche Seiten des Hauptkanals angrenzen, und/oder (iii) auf gleicher Höhe befinden. Der Oszillations-Kanal ist vorteilhafterweise also ein Verbindungskanal zwischen diesen beiden Öffnungen.
Der Fluidistor ist vorzugsweise dazu ausgebildet, dass ein von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass durch den Hauptkanal und entlang des Störkörpers strömendes Fluid (etwa das Messfluid), insbesondere wenn die Rahmenbedingungen der Karmanschen Wirbelstraße erfüllt sind, den Störkörper abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite umströmt und dadurch periodisch wechselnde Druckzustände innerhalb des Hauptkanals zumindest bereichsweise auftreten, aufgrund derer ein Teil des durch den Fluidistor strömenden Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals eine Oszillation ausführt. Das heißt, die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals kehrt sich periodisch um. Der Oszillations-Kanal ist aus diesem Grund in der vorliegenden Anmeldung als Oszillations-Kanals bezeichnet. Dabei versteht der Fachmann, dass vorzugsweise das in dem Oszillations-Kanal strömende Fluid seinerseits die Druckzustände beeinflusst und damit dazu beiträgt, dass das strömende Fluid den Störkörper wieder auf der jeweils anderen Seite umströmt und sich die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals wieder umkehrt.
Strömt nun ein Fluid (etwa das Messfluid) von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass durch den Fluidistor hindurch, so strömt ein Teil des durch den Fluidistor strömenden Fluids durch den Oszillations-Kanal und führt dort eine Oszillation aus.
Wenn das Fluid durch den Fluidistor geführt wird, wird es vorzugsweise von dem Fluideinlass zu dem Fluidauslass des Fluidistors geführt. Somit kann die Fluid-Schwingung (Fluid-Oszillation) im Oszillations-Kanal erreicht werden.
Es ist daher besonders bevorzugt, wenn der Fluidistor mit seinem Fluidein- und/oder Fluidauslass mit der Strömungsleitung fluidal verbunden ist.
Der Störkörper ist vorteilhafterweise also ein strömungsteilender Störkörper. Mit dem Störkörper ist das strömende Messfluid also in zwei Teilströme teilbar.
Der Fachmann versteht freilich, dass das Fluid im Fluidistor, und vor allem das Fluid im Oszillationskanal ständig durch nachströmendes Fluid, das durch den Fluidistor geführt wird, ausgetauscht wird. Dadurch ist im Übrigen auch gewährleistet, dass eine kontinuierliche Untersuchung der Zusammensetzung des in der Strömungsleitung strömenden Fluids möglich ist. Denn es wird laufend zumindest ein Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor geführt, wobei laufend zumindest ein Teil des Messfluids durch den Oszillations-Kanal strömt und dort an der Oszillations-Bewegung teilnimmt. So kann eine veränderte Zusammensetzung unmittelbar erkannt werden.
Es ist bevorzugt, dass der Fluidistor zumindest einen Oszillations-Kanal aufweist, innerhalb dessen ein Teil des durch den Fluidistor geführten Messfluids oszilliert, insbesondere sich also periodisch dessen Strömungsrichtung umkehrt, während das Messfluid durch den Fluidistor geführt wird.
Es ist daher bevorzugt, dass der Oszillations-Kanal des Fluidistors einen Verbindungskanal, der zwei, insbesondere auf Höhe des innerhalb des Hauptkanals angeordneten Störkörpers oder, insbesondere um bis zu 50 cm, vorzugsweise um bis zu 30 cm, vorzugsweise um bis zu 15 cm, vorzugsweise um bis zu 10 cm, vorzugsweise um bis zu 5 cm, stromauf- oder stromabwärts zu dem Störkörper versetzt vorgesehene, Öffnungen des Hauptkanals fluidal miteinander verbindet, aufweist oder darstellt. Vorzugsweise befinden sich die beiden Öffnungen in verschiedenen, insbesondere parallel zueinander verlaufenden, Ebenen, beispielsweise von zwei sich gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals des Fluidistors. Alternativ befinden sich die beiden Öffnungen in einer gemeinsamen Ebene, wobei vorzugsweise die beiden Öffnungen an unterschiedlichen Seiten des Hauptkanals angrenzen. Alternativ oder ergänzend befinden sich die beiden Öffnungen auf gleicher Höhe.
Wenn in dieser Anmeldung die Begriffe „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ verwendet werden, so sind diese vorzugsweise relativ zu der Strömungsrichtung des durch den Fluidistor strömenden Messfluids bzw. des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids zu verstehen, soweit sich aus dem jeweiligen Kontext nichts anderes ergibt.
Vorzugsweise beträgt die Oszillationsfrequenz des Fluids im Oszillations-Kanal (i) 0,1 Hz oder mehr, vorzugsweise 1 Hz oder mehr als, vorzugsweise 10 Hz oder mehr, vorzugsweise 50 Hz oder mehr, vorzugsweise 100 Hz oder mehr, vorzugsweise 500 Hz oder mehr, vorzugsweise 1.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 3.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 5.000 Hz oder mehr, vorzugsweise 7.000 Hz oder mehr, (ii) 10.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 7.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 5.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 3.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 1.000 Hz oder weniger, vorzugsweise 500 Hz oder weniger, vorzugsweise 300 Hz oder weniger, vorzugsweise 100 Hz oder weniger, vorzugsweise 50 Hz oder weniger, vorzugsweise 30 Hz oder weniger, vorzugsweise 10 Hz oder weniger, vorzugsweise 5 Hz oder weniger, vorzugsweise 1 Hz oder weniger, und/oder (iii) zwischen 0,1 Hz und 10.000 Hz, vorzugsweise zwischen 0,1 Hz und 1.000 Hz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 100 Hz oder zwischen 100 Hz und 1.000 Hz, oder zwischen 1.000 Hz und 10.000 Hz, insbesondere zwischen 1.000 Hz und 5.000 Hz oder zwischen 5.000 Hz und 10.000 Hz.
In einer Ausführungsform wird das gesamte in der Strömungsleitung strömende Fluid als Messfluid durch den Fluidistor geführt. Beispielsweise kann der Fluidistor dazu zur Strömungsleitung fluidal in Reihe geschalten sein und/oder der Fluidistor, insbesondere sein Hauptkanal, kann einen Teil der Strömungsleitung ausbilden oder mit der Strömungsleitung fludial, etwa an einem ihrer Enden, derart verbunden sein, dass das gesamte Fluid durch den Fluidistor strömt.
In einer Ausführungsform wird ein Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor geführt. Beispielsweise kann der Fluidistor dazu zur Strömungsleitung oder einem Abschnitt davon fluidal parallel geschalten sein und/oder mit zumindest einer Abzweigung der Strömungsleitung fluidal verbunden sein. Der betreffende Teil des in der Strömungsleitung strömenden Fluids, der als Messfluid durch den Fluidistor geführt wird, kann beispielsweise mittels einer in der Strömungsleitung (insbesondere fluidal zwischen der Abzweigung zum Fluidistor und der Mündung vom Fluidistor) angeordneten Blende und/oder Venturi-Düse eingestellt werden oder einstellbar sein. Dazu kann die Strömungsleitung entsprechende Mittel in Form einer Blende und/oder Venturi-Düse aufweisen.
In einer Ausführungsform wird der Teil des strömenden Fluids aus der Strömungsleitung abgezweigt. Optional wird der abgezweigte Teil wieder der Strömungsleitung oder der Umgebung zugeführt. Dazu kann vorteilhafterweise der Einlass und/oder der Auslass des Fluidistors mit der Strömungsleitung fluidal verbunden sein. Dazu weist vorzugsweise die Strömungsleitung eine Querschnittsverjüngung (beispielsweise eine Einschnürung, eine Blende und/oder dergleichen) auf, die dazu ausgelegt ist, den Teil des strömenden Fluids aus der Strömungsleitung abzuzweigen und/oder dem Fluidistor zuzuführen.
In einer Ausführungsform wird das gesamte durch die Strömungsleitung strömende Fluid als Messfluid durch den Fluidistor geführt.
In einer Ausführungsform wird dauerhaft Fluid aus der Strömungsleitung als Messfluid durch den Fluidistor geführt. In einer anderen Ausführungsform wird nur für einen bestimmten Zeitraum und/oder periodisch wiederholt Fluid aus der Strömungsleitung als Messfluid durch den Fluidistor geführt.
Das Verfahren ist dabei vorteilhafterweise universell bei einer Vielzahl von verschiedenen Situationen einsetzbar.
Beispielsweise kann damit die Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung einer Fluid-Bereitstellungs-Einheit strömenden Fluids bei einem Bereitstellungsvorgang untersucht werden. Dabei kann das Fluid Wasserstoff mit bei einer realen Anwendung typischerweise stets vorhandenen Verunreinigungen sein. Somit kann die Zusammensetzung des während eines Bereitstellungsvorgangs bereitgestellten Fluids untersucht werden. Dies ist besonders wichtig bei einer Fluid-Bereitstellungs-Einheit in Form einer Wasserstoff-Tankstelle. Denn bei dem Betrieb von Brennstoffzellen können bereits kleinste Mengen einer Verunreinigung des Wasserstoffs zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Brennstoffzelle führen. Daher ist die Untersuchung der Zusammensetzung hier vorteilhaft. Denn es kann sichergestellt werden, dass sich die Verunreinigungen unterhalb einer zulässigen Grenze befinden.
Beispielsweise kann damit die Zusammensetzung eines durch eine LNG-Strömungsleitung strömenden Fluids bestimmt werden. Dabei kann das Fluid Flüssigerdgas sein. Somit kann die Zusammensetzung des zu oder von einem LNG-Terminal gelieferten Flüssigerdgases bestimmt werden.
Beispielsweise kann damit die Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung einer Biogasanlage strömenden Fluids untersucht werden. Dabei kann das Fluid ein Gasgemisch, insbesondere ein Biogasgemisch, sein. Somit kann die Zusammensetzung des von der Biogasanlage produzierten Biogases untersucht werden, also insbesondere hinsichtlich zumindest eines Bestandteils des Gases.
Beispielsweise kann damit die Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung, infolge eines Ansaugens eines Fluids aus der Umgebung in die Strömungsleitung, strömenden Fluids untersucht werden. Dabei kann das Fluid ein Luftgemisch sein. Somit kann eine Leckage detektiert werden, wenn das Luftgemisch durch andere Gasbestandteile verunreinigt und dadurch in seiner Zusammensetzung verändert ist. Somit kann die Untersuchung der Zusammensetzung des durch die Strömungsleitung strömenden Fluidgemischs zur Überwachung von Leckagen eingesetzt werden. Beispielsweise kann dazu aus der Umgebung Fluid in die Strömungsleitung und über den Fluideinlass des Fluidistors damit in den Fluidistor gesaugt werden, indem mit einem fluidal mit dem Auslass des Fluidistors verbundenes Gebläse Fluid aus der Umgebung angesaugt wird.
Beispielsweise kann damit die Zusammensetzung auch untersucht werden für Anwendungsfälle wie die Sauerstoffversorgung von Patienten im Krankenhaus.
Vorzugsweise wird das Bestimmen der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasenbeziehung ganz oder teilweise mittels zumindest einer ersten Recheneinheit durchgeführt. Der Fluidistor kann die erste Recheneinheit aufweisen und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung stehen oder bringbar sein.
Vorzugsweise wird das Untersuchen der Zusammensetzung des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasenbeziehung ganz oder teilweise mittels zumindest einer zweiten Recheneinheit durchgeführt. Der Fluidistor kann die zweite Recheneinheit aufweisen und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung stehen oder bringbar sein.
Die erste und zweite Recheneinheit kann auch durch eine gemeinsame Recheneinheit bereitgestellt werden.
Die jeweilige Recheneinheit (erste Recheneinheit, zweite Recheneinheit, gemeinsame Recheneinheit) kann jeweils beispielsweise in Software, in Hardware oder einer Kombination von beidem realisiert sein. Die jeweilige Recheneinheit kann alternativ oder ergänzend einen Speicher, einen Prozessor, einen Analog-Digital-Konverter (analog digital converter, ADC), einen Digital-Analog-Konverter (digital analog converter, DAC) oder eine beliebige Kombination davon aufweisen. Die jeweilige Recheneinheit kann beispielsweise programmierbar und/oder derart programmiert sein, dass sie entsprechende Routinen durchführt. Die jeweilige Recheneinheit kann in einer Ausführungsform ein FPGA sein.
Vorzugsweise ist das in der Strömungsleitung strömende Fluid eine Flüssigkeit, ein Gas, insbesondere Wasserstoff, Methan und/oder Sauerstoff, und/oder ein Gemisch, etwa ein, vorzugsweise binäres, Gasgemisch, insbesondere aufweisend Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Methan, ein Flüssigkeitsgemisch, insbesondere ein Treibstoffgemisch, ein Ölgemisch und/oder ein Schmierstoffgemisch.
In einer Ausführungsform ist die Strömungsleitung eine geschlossene Rohrleitung.
In einer Ausführungsform ist die Strömungsleitung eine Druckleitung und/oder das darin strömende Fluid weist auf einen, insbesondere absoluten, Fluiddruck von mehr als 0 bar, vorzugsweise von 0,1 bar oder mehr, vorzugsweise von 0,5 bar oder mehr, vorzugsweise von 1 bar oder mehr, vorzugsweise von 3 bar oder mehr, vorzugsweise von 5 bar oder mehr, vorzugsweise von 10 bar oder mehr, vorzugsweise von 50 bar oder mehr, vorzugsweise von 100 bar oder mehr, vorzugsweise von 300 bar oder mehr, vorzugsweise von 500 bar oder mehr, und/oder einen, insbesondere absoluten, Fluiddruck von 1.000 bar oder weniger, vorzugsweise von 500 bar oder weniger, vorzugsweise von 300 bar oder weniger, vorzugsweise von 100 bar oder weniger, vorzugsweise von 50 bar oder weniger, vorzugsweise von 30 bar oder weniger, vorzugsweise von 10 bar oder weniger, vorzugsweise von 5 bar oder weniger, vorzugsweise von 1 bar oder weniger, auf. Beispielsweise beträgt der, insbesondere absolute, Fluiddruck zwischen 0,1 bar und 1.000 bar, wie insbesondere zwischen 0,1 bar und 100 bar oder zwischen 100 bar und 1.000 bar.
In einer Ausführungsform ist die Strömungsleitung eine Druckleitung und/oder es besteht eine Druckdifferenz von 0,1 mbar oder mehr, vorzugsweise von 1 mbar oder mehr, vorzugsweise von 10 mbar oder mehr, vorzugsweise von 50 mbar oder mehr, vorzugsweise von 100 mbar oder mehr, vorzugsweise von 1 bar oder mehr, vorzugsweise von 5 bar oder mehr, vorzugsweise von 10 bar oder mehr, vorzugsweise von 100 bar oder mehr, vorzugsweise von 300 bar oder mehr, vorzugsweise von 500 bar oder mehr, und/oder eine Druckdifferenz von 1.000 bar oder weniger, vorzugsweise von 500 bar oder weniger, vorzugsweise von 300 bar oder weniger, vorzugsweise von 100 bar oder weniger, vorzugsweise von 50 bar oder weniger, vorzugsweise von 30 bar oder weniger, vorzugsweise von 10 bar oder weniger, vorzugsweise von 5 bar oder weniger, vorzugsweise von 1 bar oder weniger, vorzugsweise von 100 mbar oder weniger, vorzugsweise von 50 mbar oder weniger, vorzugsweise von 10 mbar oder weniger, vorzugsweise von 1 mbar oder weniger, vorzugsweise von 0,5 mbar oder weniger, zwischen dem Fluideinlass und Fluidauslass des Fluidistors. Beispielsweise beträgt die Druckdifferenz zwischen 0,1 mbar und 1.000 bar, wie zwischen 0,1 mbar und 1 bar oder zwischen 1 bar und 1.000 bar, zwischen dem Fluideinlass und Fluidauslass des Fluidistors.
In einer Ausführungsform wird kontinuierlich zumindest ein Teil des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor geführt und/oder die Zusammensetzung, insbesondere einschließlich des Bestimmens der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz, untersucht. Damit ist eine kontinuierliche Untersuchung der Zusammensetzung möglich.
In einer Ausführungsform wird während eines definierten oder definierbaren Zeitraumes und/oder periodisch wiederkehrend, insbesondere während eines definierten oder definierbaren Zeitraums, zumindest ein Teil des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor geführt und/oder die Zusammensetzung, insbesondere einschließlich des Bestimmens der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz, untersucht. Damit ist eine zeitweise Kontrolle der Zusammensetzung möglich, etwa einmal pro Stunde oder einmal pro Tag.
In einer Ausführungsform wird zumindest zeitweise zumindest ein Teil des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor geführt und/oder die Zusammensetzung, insbesondere einschließlich des Bestimmens der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz, untersucht.
In einer Ausführungsform wird das Messfluid vollständig oder teilweise wieder zurück in die Strömungsleitung geführt, insbesondere über den Fludiauslass des Fluidistors.
In einer Ausführungsform wird das Messfluid nicht wieder zurück in die Strömungsleitung geführt.
In einer Ausführungsform (i) ist der Druck des in der Strömungsleitung strömenden Fluids konstant und/oder (ii) hat das in der Strömungsleitung strömende Fluid eine, insbesondere unter Normbedingungen, bekannte Schallgeschwindigkeit, eine bekannte Temperatur und/oder einen bekannten Druck.
Vorzugsweise weist das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids eine qualitative und/oder eine quantitative Untersuchung der Zusammensetzung des strömenden Fluids auf oder stellt sie dar.
Vorzugsweise weist das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids eine, vorzugsweise qualitative und/oder quantitative, Untersuchung der Bestandteile des Fluids auf.
Vorzugsweise weist das strömende Fluid wenigstens zwei Bestandteile auf. Diese Bestandteile bilden dann vorteilhafterweise die Zusammensetzung des strömenden Fluids, die untersucht wird. Die unterschiedlichen Bestandteile können beispielsweise unterschiedliche Elemente sein.
Der Fluidistor kann insbesondere als eine Messvorrichtung mit Fluid-Oszillator bezeichnet werden.
Vorzugsweise sind, insbesondere während das Messfluid durch den Fluidistor und/oder entlang des Störkörpers geführt wird und/oder für das durch den Fluidistor strömende Messfluid, die Randbedingungen für die Karmansche Wirbelstraße erfüllt.
Vorzugsweise beträgt die Reynolds-Zahl des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids und/oder des Messfluids 50 oder mehr, vorzugsweise 70 oder mehr, vorzugsweise 90 oder mehr, vorzugsweise 100 oder mehr, vorzugsweise 300 oder mehr, vorzugsweise 500 oder mehr, vorzugsweise 1000 oder mehr, vorzugsweise 1500 oder mehr, vorzugsweise 2000 oder mehr, vorzugsweise 3000 oder mehr, vorzugsweise 5000 oder mehr, vorzugsweise 10000 oder mehr, vorzugsweise 30000 oder mehr, vorzugsweise 50000 oder mehr, 200000 oder weniger, vorzugsweise 150000 oder weniger, vorzugsweise 100000 oder weniger, vorzugsweise 50000 oder weniger, vorzugsweise 30000 oder weniger, vorzugsweise 10000 oder weniger, vorzugsweise 8000 oder weniger, vorzugsweise 5000 oder weniger, vorzugsweise 3000 oder weniger, vorzugsweise 1000 oder weniger, vorzugsweise 500 oder weniger, und/oder zwischen 50 und 200000, vorzugsweise zwischen 90 und 200000, vorzugsweise zwischen 90 und 100000, vorzugsweise zwischen 90 und 50000, vorzugsweise zwischen 90 und 10000, vorzugsweise zwischen 500 und 10000, vorzugsweise zwischen 500 und 5000.
Vorzugsweise strömt 0,1 l/min oder mehr, vorzugsweise 0,3 l/min oder mehr, vorzugsweise 0,5 l/min oder mehr, vorzugsweise 1 l/min oder mehr, vorzugsweise 5 l/min oder mehr, vorzugsweise 10 l/ min oder mehr, vorzugsweise 50 l/ min oder mehr, vorzugsweise 100 l/min oder mehr, vorzugsweise 500 l/ min oder mehr, vorzugsweise 1000 l/min oder mehr, 10000 l/min oder weniger, vorzugsweise 5000 l/min oder weniger, vorzugsweise 3000 l/min oder weniger, vorzugsweise 1000 l/min oder weniger, vorzugsweise 500 l/min oder weniger, vorzugsweise 100 l/min oder weniger, und/oder zwischen 0,1 l/min und 10000 l/min, vorzugsweise zwischen 1 l/min und 5000 l/min, Messfluid durch den Fluidistor.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Bestimmen der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz aufweist, dass, insbesondere mittels einer Ultraschallsensorik, zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, Messungen der Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch den innerhalb des Oszillations-Kanals des Fluidistors, vorzugsweise mit einer Oszillationsfrequenz, oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals durchgeführt wird, insbesondere die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und/oder entlang zumindest eines spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals des Fluidistors durchgeführt werden, und wobei vorzugsweise basierend zumindest auf den Messwerten der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz ermittelt wird.
Der spezifische Abschnitt des Oszillations-Kanals kann beispielsweise gerade verlaufen. Dadurch bietet er sich besonders gut für Ultraschallmessungen wie solche zwischen einem gegenüberliegend angeordneten Sender-Empfänger-Paar an.
Die Ultraschallsensorik weist zum Beispiel einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger auf. Insbesondere weist die Ultraschallsensorik genau einen Ultraschallsender und/oder genau einen Ultraschallempfänger auf. Vorzugsweise sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger einander gegenüberliegend angeordnet.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die einzelnen Messwerte der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen eine Messkurve mit sinusförmigen Verlauf beschreiben und/oder anhand der Messwerte der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen eine Messkurve mit sinusförmigen Verlauf ermittelt wird, und wobei vorzugsweise (i) der Wert der Laufzeit und/oder Phasendifferenz bei einem Wendepunkt der Sinuskurve ermittelt und als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz bestimmt wird und/oder (ii) von einer Vielzahl von einzelnen Messwerten, insbesondere von den Messwerten zumindest einer, vorzugsweise mehrerer, Periode, ein Mittelwert, wie ein arithmetischer Mittelwert, berechnet wird und dieser Mittelwert als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz bestimmt wird.
Damit liefert also jede Ultraschallmessung einen Wert der Laufzeit und die Werte mehrerer Messungen beschreiben vorteilhafterweise eine sinusförmige Messkurve. Da sich die Strömungsrichtung des Fluids im Oszillations-Kanal periodisch umkehrt, liegen die zeitlich aufeinander folgenden Messwerte der Laufzeit auf einer Sinuskurve bzw. der zeitliche Verlauf der Messwerte der Laufzeit folgt einer Sinuskurve. Die inverse Periodendauer der Sinuskurve, also deren Frequenz, entspricht dann der Oszillationsfrequenz des Fluids in dem Oszillations-Kanal. Daher kann mit den Ultraschall-Laufzeit-Messungen der Wert der Laufzeit ermittelt werden, zu denen das oszillierende Fluid gerade seine Strömungsrichtung ändert. Dies ist der Wert am Wendepunkt der Sinuskurve.
Es wird hierbei also ausgenutzt, dass die einzelnen Laufzeitmessungen, insbesondere entlang des spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals, zeitabhängig von dem oszillierenden Fluid beeinflusst werden und dabei vor allem auch abhängig davon beeinflusst werden, ob das Fluid mit der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls oder gegen die Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls strömt. Außerdem hängt das Ergebnis der Messung davon ab, wie schnell das Fluid jeweils strömt. Innerhalb des Oszillations-Kanals ändert sich die Strömungsrichtung des Fluids periodisch und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids kontinuierlich
Die dadurch bedingten zeitabhängigen Laufzeiten des Ultraschallsignals können durch die Laufzeitmessungen besonders zuverlässig ermittelt und deren sinusförmiger Verlauf ausgewertet werden. Anhand der Messwerte lässt sich daher durch ein Auswerten des Wendepunktes die Laufzeit durch das im Oszillations-Kanal ruhendes Fluid bestimmen. Oder mit anderen Worten, es lässt sich die Schallgeschwindigkeit des strömenden Fluids bestimmen, sofern die Distanz bekannt ist, über die die Laufzeit gemessen wurde.
Mit anderen Worten, die Laufzeitmessungen ermöglichen es, die Laufzeit zu dem spezifischen Zeitpunkt, zu dem das Fluid im Oszillations-Kanal quasi ruht, zu bestimmen. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, die Laufzeit durch den innerhalb des Oszillations-Kanals des Fluidistors oszillierenden Teil des Messfluids zu messen.
Die spezifische Laufzeit kann auf diese Weise sehr einfach und zuverlässig ermittelt werden. Dazu ist es im Übrigen nicht notwendig, die Laufzeit genau auch zu dem spezifischen Zeitpunkt zu messen. Stattdessen kann vorzugsweise durch Interpolation und/oder Extrapolation der Messwerte der Vielzahl von Laufzeitmessungen und/oder durch Anlegen einer Fitkurve (zum Beispiel die Methode der kleinsten Fehlerquadrate) an diese Messwerte der Wert der spezifischen Laufzeit zum spezifischen Zeitpunkt bestimmt werden.
Besonders einfach und dennoch zuverlässig kann die spezifische Laufzeit ermittelt werden, indem eine Vielzahl von Laufzeitmessungen durchgeführt und die aufgenommenen Messwerte gemittelt werden. Dies ist technisch vergleichsweise leicht handhabbar, da kontinuierlich gemessen werden kann. Beispielsweise können die Messwerte einer Periode der Sinuswelle aufgezeichnet werden, und diese Messwerte werden gemittelt, wodurch sich der obere und der untere Teil des Sinus gegenseitig aufheben und die gesuchte Laufzeit erhalten wird. Diese entspricht gerade der Laufzeit im Wendepunkt, also als wenn das Fluid nicht oszillieren würde.
Das Vorstehende gilt alles entsprechend auch für die Messungen der Phasendifferenzen.
In einer Ausführungsform werden die einzelnen Messungen zeitlich aufeinanderfolgend und/oder in äquidistanten Zeitabständen durchgeführt.
Beispielsweise kann durch die aufgenommenen Messwerte eine Sinuskurve mittels eines Fits gelegt werden, etwa mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, um die Messkurve mit sinusförmigen Verlauf zu ermitteln.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass zwei aufeinanderfolgende Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen jeweils einen ersten Zeitabstand zueinander aufweisen und vorzugsweise der erste Zeitabstand (a) 1 ps oder mehr, vorzugsweise 10 ps oder mehr, vorzugsweise 50 ps oder mehr, vorzugsweise 100 ps oder mehr, vorzugsweise 500 ps oder mehr, vorzugsweise 1 ns oder mehr, vorzugsweise 50 ns oder mehr, vorzugsweise 100 ns oder mehr, vorzugsweise 500 ns oder mehr, vorzugsweise 1 µs oder mehr, vorzugsweise 10 µs oder mehr, vorzugsweise 50 µs oder mehr, vorzugsweise 100 µs oder mehr, vorzugsweise 500 µs oder mehr, vorzugsweise 1 ms oder mehr, vorzugsweise 10 ms oder mehr, vorzugsweise 50 ms oder mehr, vorzugsweise 100 ms oder mehr, vorzugsweise 500 ms oder mehr, vorzugsweise 1 s oder mehr, vorzugsweise 5 s oder mehr, vorzugsweise 10 s oder mehr, vorzugsweise 50 s oder mehr, vorzugsweise 100 s oder mehr, (b) 100 s oder weniger, vorzugsweise 50 s oder weniger, vorzugsweise 10 s oder weniger, vorzugsweise 1 s oder weniger, vorzugsweise 500 ms oder weniger, vorzugsweise 100 ms oder weniger, vorzugsweise 50 ms oder weniger, vorzugsweise 10 ms oder weniger, vorzugsweise 5 ms oder weniger, vorzugsweise 1 ms oder weniger, vorzugsweise 500 µs oder weniger, vorzugsweise 100 µs oder weniger, vorzugsweise 50 µs oder weniger, vorzugsweise 10 µs oder weniger, vorzugsweise 1 µs oder weniger, vorzugsweise 500 ns oder weniger, vorzugsweise 100 ns oder weniger, vorzugsweise 50 ns oder weniger, vorzugsweise 10 ns oder weniger, vorzugsweise 1 ns oder weniger, vorzugsweise 500 ps oder weniger, vorzugsweise 100 ps oder weniger, vorzugsweise 50 ps oder weniger, vorzugsweise 10 ps oder weniger, vorzugsweise 1 ps oder weniger, und/oder (c) zwischen 1 ps und 100 s, vorzugsweise zwischen 1 ps und 1 ms, wie zwischen 1 ps und 1 µs oder zwischen 1 µs und 1 ms, oder zwischen 1 ms und 100 s, wie zwischen 1 ms und 1 s oder zwischen 1 s und 100 s, beträgt.
Es ist dabei anzumerken, dass sich die sinusförmige Kurve für unterschiedliche Zusammensetzung des Fluids nur nach oben bzw. unten verschiebt, wohingegen die Frequenz währenddessen unverändert bleibt. Die Frequenz hängt insoweit maßgeblich von der Durchflussmenge ab. Damit kann auch für hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Fluide eine gleiche Wahl der Zeitabstände erfolgen. Insbesondere arbeitet der Fluidistor vorteilhafterweise dichteunabhängig. Dadurch sind vorteilhafterweise unterschiedliche Drücke des strömenden Fluids nicht oder nicht wesentlich schädlich.
Die genannten Abstände zwischen zwei Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen ermöglichen es, den innerhalb des Oszillations-Kanals strömenden Teil des Fluids bei ausreichend vielen Zeitpunkten zu vermessen, um einerseits zuverlässig die spezifische Laufzeit bestimmen zu können, und andererseits bei nur so vielen Zeitpunkten, um das Verfahren möglichst effizient durchführen zu können.
In einer Ausführungsform werden wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 10, vorzugsweise wenigstens 50, vorzugsweise wenigstens 100, höchstens 10000 und/oder zwischen 2 und 10000 Messpunkte pro Sinusperiode aufgenommen.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste Zeitabstand mindestens so klein gewählt wird, dass auch bei einer weiteren Reduzierung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen die Frequenz der durch die Messwerte beschriebenen Sinuskurve konstant bleibt, insbesondere bei einem unter gleichen Bedingungen in der Strömungsleitung strömenden Fluid. Dadurch ist sichergestellt, dass die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz richtig bestimmt wird, da ausreichend viele Messpunkte erfasst werden. Oder anders ausgedrückt, die durch die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen ermittelte Messkurve hat die durch die Fluid-Oszillation bedingte Sinuskurve bei ausreichend vielen Stützstellen abgetastet, um die wahre Sinuskurve zu rekonstruieren und damit die zutreffende spezifische Laufzeit an einem Wendepunkt bestimmen zu können. Oder nochmal anders ausgedrückt, es wird das Nyquist-Kriterium erfüllt.
Beispielsweise kann der maximal zulässige zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen dadurch bestimmt werden, indem der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen solange reduziert wird, bis auch bei einer weiteren Reduzierung des zeitlichen Abstandes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen die Frequenz der durch die Messwerte beschriebenen Sinuskurve konstant bleibt. Diese Bestimmung muss freilich vorteilhafterweise bei einem unter gleichen Bedingungen in der Strömungsleitung strömenden Fluid nur einmalig durchgeführt werden. Der ermittelte Zeitabstand kann dann als erster Zeitabstand, etwa in einem Speicher, hinterlegt und/oder von dort wieder abgerufen werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen mittels eines, vorzugsweise ortsfesten, Ultraschallsenders der Ultraschallsensorik und eines, vorzugsweise ortsfesten, Ultraschallempfängers der Ultraschallsensorik durchgeführt werden und/oder dass die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen entlang eines Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger durchgeführt werden.
Es ist als besonders vorteilhaft hervorzuheben, dass die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen mit nur einem einzigen Ultraschallsender und einem einzigen Ultraschallempfänger erfolgen können. Ein Wechsel der Schallrichtung ist, im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, nicht notwendig. Dadurch kann der Aufbau vorliegend deutlich kompakter sein und das Verfahren sehr viel effizienter durchgeführt werden. Dadurch wird gleichzeitig auch noch die Fehleranfälligkeit reduziert. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren gewonnenen Ergebnisse sind dadurch auch zuverlässiger.
Der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger sind vorzugsweise von der Ultraschallsensorik aufgewiesen.
Vorzugsweise ist der physikalische Abstand zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger bekannt und insbesondere identisch zu der Länge des Übertragungsweges.
Beispielsweise kann der physikalische Abstand mittels eines Zollstocks ermittelt werden. Beispielsweise kann der physikalische Abstand auch mittels einer Kalibriermessung bestimmt werden oder bestimmbar sein. Hierbei wird durch ein innerhalb des Oszillations-Kanals befindliches bekanntes, vorzugsweise ruhendes, Fluid bei bekanntem Druck und bei bekannter Temperatur die Laufzeit eines Ultraschallsignals vom Sender zum Empfänger gemessen. Damit kann der physikalische Abstand bestimmt werden.
In einer Ausführungsform sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger an gegenüberliegenden Enden des spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals, entlang dessen die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen durchgeführt werden, vorzugsweise innerhalb des Gehäuses, angeordnet. Dabei weist der spezifische Abschnitt vorzugsweise eine gerageradlinige Erstreckung auf.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Ultraschallpropagation bei allen Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen entlang derselben Richtung erfolgt.
Es ist überraschend erkannt worden, dass es der Fluidistor ermöglicht, alle Ultraschallmessungen entlang einer einzigen Richtung durchzuführen. Mit anderen Worten, es muss nur entlang einer Richtung, insbesondere also von einem einzigen Sender zu einem einzigen Empfänger, geschallt werden. Da sich in dem Oszillations-Kanal die Strömungsrichtung des darin befindlichen Fluids periodisch umkehrt, kann auch bei den entlang derselben Richtung durchgeführten Messungen abwechselnd entlang und entgegen der Strömungsrichtung des Fluids gemessen werden. Der Fluidistor nimmt hierbei sozusagen die Umkehr der Messrichtung inhärent zyklisch vor, ohne dass dies durch einen Wechsel des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers erfolgten muss.
Damit wird vor allem das bei herkömmlichen Verfahren notwendige Umschalten der Senderichtung überflüssig. Dadurch genügt auch ein einziges Sender-Empfänger-Paar. Dadurch sind die Messungen schneller und günstiger durchführbar.
In einer Ausführungsform verläuft die Richtung, entlang derer die Ultraschallpropagation erfolgt, geradlinig von dem Ultraschallsender zu dem Ultraschallempfänger. Vorzugsweise verläuft die Richtung dann parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen mittels eines kontinuierlich ausgesendeten oder mittels eines periodisch ein- und ausgeschaltenen Ultraschallsignals erfolgen.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass es mit dem vorgeschlagenen Verfahren möglich ist, das Ultraschallsignal kontinuierlich auszusenden und damit „Totzeiten“ der Messung zu vermeiden. Dadurch kann die spezifische Laufzeit und somit die Oszillations-Frequenz und die Zusammensetzung kontinuierlich bestimmt werden.
Dies ist vor allem deshalb möglich, da das Verfahren mit nur einem einzigen Sender-Empfänger-Paar arbeiten kann. Dies ist aufgrund des periodischen Wechsels der Strömungsrichtung innerhalb des Oszillations-Kanals möglich, zu welchem bereits weiter oben Ausführungen gemacht wurden.
Damit kann mit dem Verfahren kontinuierlich das strömende Fluid vermessen und basierend auf den Messungen kontinuierlich die Oszillationsfrequenz und somit die Zusammensetzung bestimmt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass dem, insbesondere kontinuierlichen, Ultraschallsignal sendeseitig, vorzugsweise periodisch, Marker aufgeprägt und diese Marker empfangsseitig detektiert werden und/oder das Ultraschallsignal sendeseitig zeitabhängig moduliert wird, und wobei vorzugsweise basierend zumindest auf einer Auswertung der Marker und/oder der Modulation die zumindest eine Laufzeit und/oder Phasendifferenz, vorzugsweise die Vielzahl von Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen, bestimmt wird.
Durch die Marker und/oder die Modulation ist es besonders einfach und dennoch zuverlässig möglich, eine relative Zuordnung eines Sende- und Empfangszeitpunkts durchzuführen und somit aus der Zeitdifferenz die Laufzeit des Ultraschallsignals zu bestimmen.
Vorzugsweise hat ein Marker eine zeitliche Ausdehnung von weniger als 50 %, vorzugsweise von weniger als 20 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 7 %, vorzugsweise von weniger als 5 %, vorzugsweise von weniger als 3 %, vorzugsweise von weniger als 1 %, vorzugsweise von weniger als 0,1 %, vorzugsweise von weniger als 0,01 %, des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgenden Marker. Dadurch können die einzelnen Marker zuverlässig voneinander unterschieden werden. Alternativ oder ergänzend hat ein Marker eine zeitliche Ausdehnung von wenigstens 0,0001 %, vorzugsweise von wenigstens 0,001 %, vorzugsweise von wenigstens 0,01 %, vorzugsweise von wenigstens 0,1 %, vorzugsweise von wenigstens 1 %, des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgenden Marker. Dadurch kann der einzelne Marker noch zuverlässig detektiert werden.
Beispielsweise kann der Marker in einer Ausführungsform eine zeitliche Ausdehnung von 1 % oder mehr, vorzugsweise von 5 % oder mehr, und/oder von 10 % oder weniger, vorzugsweise von 5 % oder weniger, der maximal gemessenen Laufzeit oder der maximalen Propagationszeit des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger aufweisen. Beispielsweise kann die zeitliche Ausdehnung des Markers zwischen 1 % und 10 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 8 %, der maximal gemessenen Laufzeit oder der maximalen Propagationszeit des Ultraschallsignals zwischen Sender und Empfänger aufweisen.
Die zeitliche Ausdehnung eines Markers ist vorzugsweise durch die Full-Width-At-Half-Maximum (FWHM) des Markers und/oder seiner Einhüllenden definiert oder definierbar.
Beispielsweise kann jedem empfangsseitig aufgeprägten Marker eine fortlaufende Nummer zugeordnet werden und der jeweilige Zeitpunkt des Aussendens. Indem empfangsseitig die empfangenen Marker mitgezählt werden und der Zeitpunkt des Empfangs eines jeden Markers bekannt ist, kann so die Laufzeit eines jeden Markers ermittelt werden. Die Laufzeiten werden dann vorzugsweise zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bestimmt, die einen zeitlichen Abstand gemäß dem zeitlichen Abstand der aufeinanderfolgenden Marker haben.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner aufweist:

Ermitteln des Drucks des Messfluids im Fluidistor, insbesondere (i) an einer Position innerhalb des Fluidistors, insbesondere an einer Position innerhalb des Oszillations-Kanals und/oder an einer Position auf der, bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des Messfluids im Hauptkanal des Fluidistors, Rückseite eines innerhalb des Hauptkanals des Fluidistors angeordneten Störkörpers, und/oder an einer Position außerhalb des Fluidistors, insbesondere an einer Position innerhalb der Strömungsleitung, wie vorzugsweise an einer Position fluidal vor oder nach dem Fluidistor, (ii) mittels eines Drucksensors und/oder (iii) zu zumindest einem Zeitpunkt, vorzugsweise zu dem spezifischen Zeitpunkt;

Wenn der Druck des Messfluids bekannt ist, kann die Zusammensetzung zuverlässiger untersucht werden.
In einer Ausführungsform weist das Ermitteln des Drucks auf, dass der Druck mittels eines Drucksensors einmalig oder mehrfach gemessen wird. Der Druck kann mit dem Drucksensor beispielsweise periodisch gemessen werden. Der ermittelte Druck kann dann ein Mittelwert, etwa der arithmetische Mittelwert, mehrerer Druckmessungen sein.
Vorzugsweise weist das in der Strömungsleitung strömende Fluid während des Verfahrens einen konstanten Druck auf. Dann ist vorzugsweise auch der Druck des Messfluids innerhalb des Fluidistors konstant.
Vorzugsweise wird der Druck nur einmalig oder periodisch gemessen. Beispielsweise kann der Druck auch in der Strömungsleitung gemessen werden.
Es ist in jedem Fall vorteilhaft, wenn der Druck an einer Position gemessen wird, an der der Druckunterschied zwischen dem Messpunkt und dem Oszillations-Kanal möglichst gering ist, also etwa geringer als 0,1 bar, vorzugsweise geringer als 0,01 bar, vorzugsweise geringer als 0,001 bar. Damit sind besonders zuverlässige Ergebnisse möglich.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner aufweist:

Ermitteln der Temperatur des Messfluids im Fluidistor, insbesondere (i) an einer Position innerhalb des Fluidistors, insbesondere an einer Position innerhalb des Oszillations-Kanals und/oder an einer Position auf der, bezogen auf die Hauptströmungsrichtung des Messfluids im Hauptkanal des Fluidistors, Rückseite eines innerhalb des Hauptkanals des Fluidistors angeordneten Störkörpers, und/oder an einer Position außerhalb des Fluidistors, insbesondere an einer Position innerhalb der Strömungsleitung, wie vorzugsweise an einer Position fluidal vor oder nach dem Fluidistor, (ii) mittels eines Temperatursensors und/oder (iii) zu zumindest einem Zeitpunkt, vorzugsweise zu dem spezifischen Zeitpunkt;

Wenn die Temperatur des Messfluids bekannt ist, kann die Zusammensetzung zuverlässiger untersucht werden.
In einer Ausführungsform weist das Ermitteln der Temperatur auf, dass die Temperatur mittels eines Temperatursensors einmalig oder mehrfach gemessen wird. Die Temperatur kann mit dem Temperatursensor beispielsweise periodisch gemessen werden. Die ermittelte Temperatur kann dann ein Mittelwert, etwa der arithmetische Mittelwert, mehrerer Temperaturmessungen sein.
Vorzugsweise weist das in der Strömungsleitung strömende Fluid während des Verfahrens eine konstante Temperatur auf. Dann ist vorzugsweise auch die Temperatur des Messfluids innerhalb des Fluidistors konstant.
Vorzugsweise wird die Temperatur nur einmalig oder periodisch gemessen. Beispielsweise kann die Temperatur auch in der Strömungsleitung gemessen werden. Denn die Temperatur des Fluids in der Strömungsleitung ist vorzugsweise (insbesondere für typische Anwendungen) identisch zu der Temperatur des Fluids im Fluidistor.
Vorzugsweise wird die Temperatur stromabwärts des Störkörpers gemessen, vorzugsweise unmittelbar hinter dem Störkörper. Alternativ kann die Temperatur auch vor dem Störkörper gemessen werden.
Es ist in jedem Fall vorteilhaft, wenn die Temperatur an einer Position gemessen wird, an der der Temperaturunterschied zwischen dem Messpunkt und dem Oszillations-Kanal möglichst gering ist, also etwa geringer als 0,1 K, vorzugsweise geringer als 0,01 K, vorzugsweise geringer als 0,001 K. Damit sind besonders zuverlässige Ergebnisse möglich.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Druck und/oder die Temperatur des Messfluids synchron zu einer jeden Laufzeitmessung und/oder Phasendifferenzmessung gemessen wird, dass die Schallgeschwindigkeit des strömenden Fluids basierend auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz und dem physikalischen Abstand zwischen dem Ultraschallempfänger und dem Ultraschallsender berechnet wird und/oder dass das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids außerdem basierend auf dem gemessenen Druckwert, dem gemessenen Temperaturwert und/oder der Schallgeschwindigkeit des Fluids durchgeführt wird.
Das Verfahren lässt sich besonders einfach und effizient ausführen, wenn Druck und/oder Temperatur gleichzeitig mit der Laufzeit gemessen wird bzw. werden. Dabei können mehrere Werte jeweils gemittelt werden, um einen gemittelten Druckwert und/oder einen gemittelten Temperaturwert zu erhalten. Somit kann die Zusammensetzung unter Einbeziehung eines Mittelwerts mehrerer Druckwerte und/oder eines Mittelwerts mehrererTemperaturwerte untersucht werden. Dadurch wird die Genauigkeit des Messwertes gesteigert.
Der physikalische Abstand zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger ist vorzugsweise bekannt oder ermittelbar, etwa auf eine Weise, wie bereits weiter oben ausgeführt wurde. Für die bestimmte spezifische Laufzeit L₀ eines Ultraschallsignals durch ein Fluid lässt sich bei bekannter Länge des Ausbreitungswegs X zwischen Sender und Empfänger die Schallgeschwindigkeit V des Fluids vorteilhafterweise berechnen, V=X/L₀. Da das Fluid zum spezifischen Zeitpunkt, zu dem die spezifische Laufzeit besteht, in Ruhe ist, ist die anhand der spezifischen Laufzeit L₀ berechnete Schallgeschwindigkeit tatsächlich die Schallgeschwindigkeit des strömenden Fluids. Das heißt, diese ist nicht durch die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids beeinflusst.
Es ist bevorzugt, die Schallgeschwindigkeit des Fluids zu ermitteln, da diese unabhängig von dem Aufbau, insbesondere dem Abstand zwischen Sender und Empfänger, ist. Dadurch kann in dem Verfahren direkt eine physikalische Größe des Fluids eingesetzt werden. Dies eignet sich besonders gut, um das strömende Fluid anhand physikalischer Eigenschaften mit einem Referenzgases zu vergleichen und/oder beide in Beziehung miteinander zu bringen.
Vorteilhafterweise kann ausgehend von der so berechneten Schallgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit des Fluids bei anderen Temperatur- und/oder Druckwerten, insbesondere bei Normbedingungen von 0°C und 1,013 bar, ermittelt werden und vorzugsweise alternativ oder ergänzend diesen Wert der Schallgeschwindigkeit bei dem Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids einzubeziehen.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids das Ermitteln der Reinheit des strömendes Fluids oder ein Maß dafür aufweist oder darstellt.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Laufzeit des Ultraschallsignals sehr empfindlich auf selbst nur geringste Verunreinigungen eines ansonsten reinen Fluids (zum Beispiel Wasserstoff oder ein Wasserstoffgemisch) reagiert.
Daher kann das vorgeschlagene Verfahren besonders zuverlässig bei der Reinheitsbestimmung von Fluiden eingesetzt werden. Denn selbst geringste Änderung der Zusammensetzung des Fluids aufgrund Verunreinigungen können während der Untersuchung erkannt werden.
Das Ermitteln der Reinheit oder ein Maß dafür des strömenden Fluids weist daher vorzugsweise auf, dass das strömende Fluid und ein definiertes oder definierbare Soll-Fluid hinsichtlich zumindest einer Eigenschaft, insbesondere einer physikalischen Größe, wie die Schallgeschwindigkeit, miteinander verglichen werden, wobei insbesondere eine für das Messfluid ermittelte Schallgeschwindigkeit für das Messfluid und/oder eine für das Soll-Fluid definierte oder definierbare Schallgeschwindigkeit für das Soll-Fluid bei dem Vergleich einbezogen werden.
Das Soll-Fluid ist dabei insbesondere ein Fluid, das idealerweise gemäß einer jeweiligen Anwendung innerhalb der Strömungsleitung strömt. Das Soll-Fluid ist etwa ein Fluid, das vollständig einer gewünschten Zusammensetzung entspricht. Das Soll-Fluid kann einen oder mehrere Bestandteile aufweisen. Im Fall mehrerer Bestandteile ist das Soll-Fluid ein Gemisch. Beispielsweise kann das Soll-Fluid ein Gas (etwa Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Argon) oder Gasgemisch (etwa zwei oder mehr Komponenten ausgewählt aus Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Argon) aufweisen oder darstellen.
Die Eigenschaft kann für eine oder mehrere bestimmte Umgebungsbedingungen betrachtet werden. Wird etwa die Schallgeschwindigkeit von strömendem Fluid und Soll-Fluid verglichen, so kann diese bei einer bestimmten Temperatur und/oder einem bestimmten Druck betrachtet werden. Für Druck und Temperatur können die aktuell bestehenden Werte verwendet werden, die beispielsweise wie weiter oben beschrieben ermittelt werden können. Alternativ oder ergänzend können Normbedingungen zugrunde gelegt werden und die entsprechend berechnete Schallgeschwindigkeit verwendet werden.
Beispielsweise wird dann eine Abweichung der betrachteten Eigenschaft bei strömendem Fluid und Soll-Fluid durch Verunreinigungen als Bestandteile im strömenden Fluid hervorgerufen.
Welche Bestandteile eines strömenden Fluids keine Verunreinigungen darstellen wird also vorzugsweise über die Definition des Soll-Fluids definiert.
Vorzugsweise ist das strömende Fluid ein verunreinigtes Fluid, wie ein verunreinigtes Gas. Insbesondere sind die Verunreinigungen gasförmig und/oder im Bereich von 1000 ppm oder weniger, vorzugsweise von 500 ppm oder weniger, vorzugsweise 100 ppm oder weniger, vorzugsweise 50 ppm oder weniger, vorzugsweise 10 ppm oder weniger, vorzugsweise 1 ppm oder weniger, vorzugsweise 0,1 ppm oder weniger, vorzugsweise 0,05 ppm oder weniger, vorzugsweise 0,01 ppm oder weniger, und/oder von 0,0001 ppm oder mehr, vorzugsweise 0,001 ppm oder mehr, vorzugsweise 0,01 ppm oder mehr, vorzugsweise 0,1 ppm oder mehr, vorzugsweise 1 ppm oder mehr. Beispielsweise sind die Verunreinigungen zwischen 0,0001 ppm und 1000 ppm, vorzugsweise zwischen 0,001 ppm und 100 ppm.
Folgende obere Grenzen für Verunreinigungen können vorteilhafterweise gelten: Verunreinigungen von Wasserstoff bei Bestandteilen mit 300 ppm oder weniger. Beispielsweise Verunreinigungen durch Helium mit einem Bestandteil von 300 ppm oder weniger. Beispielsweise Verunreinigungen durch CO₂ mit einem Bestandteil von 1 ppm oder weniger.
Wenn in dieser Anmeldung die Angabe „ppm“ im Zusammenhang mit Verunreinigungen eines Fluids gebraucht wird, so wird dabei vorzugsweise die Einheit Stoffmenge (mol), also µmol/mol, verstanden. Wird dann beispielsweise von „Verunreinigungen im Bereich von 1000 ppm oder weniger“ gesprochen, dann sind damit also „Verunreinigungen im Bereich von 1000 µmol/mol oder weniger“ gemeint.
Vorzugsweise ist in dem strömenden Fluid das Fluid, das verunreinigt ist, und das sich von dem strömenden Fluid insoweit von den Bestandteilen der Verunreinigungen unterscheidet, bekannt.
Verunreinigungen sind dabei vorzugsweise wie in ISO 14687:2019 oder SAE J2719:2011 definiert.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Ermitteln der Reinheit des strömenden Fluids oder ein Maß dafür aufweist, dass eine Differenz zwischen der basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz ermittelten Schallgeschwindigkeit und einer für das Fluid, insbesondere bei dem gemessenen Druck und/oder bei der gemessenen Temperatur, definierten oder definierbaren Soll-Schallgeschwindigkeit ermittelt wird und anhand der ermittelten Differenz die Reinheit des strömendes Fluids oder ein Maß dafür ermittelt wird.
Auf diese Weise kann besonders einfach aber dennoch sehr zuverlässig ein Maß für die Reinheit ermittelt werden, mit dessen Hilfe sich die Reinheit qualifizieren und/oder (insbesondere unter Einbeziehung von Referenzmessungen) quantifizieren lässt. Gleichermaßen kann somit auch ein entsprechendes Maß für die Verunreinigung bereitgestellt werden.
Welche Bestandteile eines strömenden Fluids keine Verunreinigungen darstellen wird also hierbei vorzugsweise anhand der Soll-Schallgeschwindigkeit definiert, indem für ein Fluid mit diesen Bestandteilen die Schallgeschwindigkeit als Soll-Schallgeschwindigkeit angegeben wird.
Beispielsweise können für unterschiedliche Bereiche der ermittelten Differenz unterschiedliche Reinheitsstufen definiert werden. Somit kann anhand der ermittelten Differenz die zugehörige Reinheitsstufe ermittelt werden. So kann etwa für eine exemplarische Anwendung eine Differenz von bis zu 0,01 % der Soll-Schallgeschwindigkeit als „Reinheitsstufe 1“, eine Differenz von über 0,01 % bis 0,015 % der Soll-Schallgeschwindigkeit als „Reinheitsstufe 2“, eine Differenz von über 0,015 % bis 0,02 % der Soll-Schallgeschwindigkeit als „Reinheitsstufe 3“ und eine Differenz von über 0,02 % der Soll-Schallgeschwindigkeit als „Reinheitsstufe 4“ definiert sein.
In einer Ausführungsform stellt die ermittelte Differenz das Maß für die Reinheit direkt dar.
Das Verfahren kann vorzugsweise aufweisen, dass abhängig von der ermittelten Differenz, insbesondere der ermittelten Reinheitsstufe, eine bestimmte Aktion durchgeführt wird.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids das Ermitteln des Anteils zumindest eines definierten oder definierbaren Bestandteils, vorzugsweise der Anteile von zwei oder mehr als zwei definierten oder definierbaren Bestandteilen, des strömenden Fluids in dem strömenden Fluid aufweist oder darstellt.
Mit anderen Worten wird also ein bekannter Bestandteil des strömenden Fluids betrachtet und dessen Anteil im strömenden Fluid wird ermittelt. Gleichermaßen können freilich auch mehrere bekannte Bestandteile des strömenden Fluids betrachtet und deren Anteil im strömenden Fluid ermittelt werden.
Ein Anteil eines Bestandteils des strömenden Fluids ist in der vorliegenden Anmeldung vorzugsweise definiert als die Gehaltsangabe, insbesondere in Volumen-% und/oder als Stoffmengenanteil in mol/mol %, den der jeweilige Bestandteil des strömenden Fluids in dem strömenden Fluid hat.
Es wurde insoweit überraschend erkannt, dass der Einfluss, den die Zusammensetzung des strömenden Fluids auf die Laufzeit des Ultraschallsignals hat, dazu ausgenutzt werden kann, um umgekehrt anhand der spezifischen Laufzeit die Zusammensetzung zu untersuchen. Vor allem der Anteil oder die Anteile eines oder mehrerer Bestandteile des strömenden Fluids lassen sich besonders zuverlässig auf diese Weise ermitteln.
Vorzugsweise sind die Bestandteile des strömenden Fluid in Form eines Fluidgemischs ganz oder teilweise, insbesondere hinsichtlich der Hauptbestandteile, bekannt.
Vorzugsweise ist der definierte oder definierbare Bestandteil ein Hauptbestandteil des strömenden Fluids, vorzugsweise sind wenigstens zwei und/oder alle definierten oder definierbaren Bestandteile Hauptbestandteile des strömenden Fluids.
Als Hauptbestandteile des strömenden Fluids werden vorzugsweise diejenigen Bestandteile des Fluids angesehen, die einen Anteil von 0,1 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 0,3 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 0,5 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 1 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 3 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 5 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 10 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 20 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 30 mol/mol % oder mehr, vorzugsweise von 40 mol/mol % oder mehr, und/oder von 50 Vol-% oder weniger, vorzugsweise von 30 mol/mol % oder weniger, vorzugsweise von 10 mol/mol % oder weniger, vorzugsweise von 5 mol/mol % oder weniger, vorzugsweise von 1 mol/mol % oder weniger, vorzugsweise von 0,5 mol/mol % oder weniger, vorzugsweise von 0,1 mol/mol % oder weniger, in dem strömenden Fluid haben.
Beispielsweise könnte das strömende Fluid gasförmige Luft sein und die Hauptbestandteile, also insbesondere Anteile mit mehr als 3 mol/mol % Anteil im strömenden Fluid, davon könnten Stickstoff und Sauerstoff sein. Die übrigen Bestandteile könnten unter anderem Argon, Wasserdampf sowie weitere Edelgase sein.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Anteils des Bestandteils und/oder der Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids in dem strömenden Fluid aufweist, dass zumindest teilweise anhand zumindest eines ersten Datums aus einer ersten Gruppe von Daten die Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids auf Basis von Daten einer zweiten Gruppe von Daten, insbesondere durch Interpolation oder Extrapolation der Daten der zweiten Gruppe von Daten, ermittelt werden,
wobei vorzugsweise die Daten der ersten Gruppe von Daten die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz, die ermittelte Schallgeschwindigkeit des Fluids, den gemessenen Druck, die gemessene Temperatur und/oder die aus diesen gemessenen Werten wiederum ermittelten Werten aufweisen, und/oder die Daten der zweiten Gruppe von Daten Werte, insbesondere, vorzugsweise empirisch, experimentell, numerisch und/oder theoretisch ermittelte oder ermittelbare, Soll-Werte, der Anteile der Bestandteile des strömendes Fluids bei unterschiedlichen Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, sowie vorzugsweise eine Zuordnung der Anteils-Werte zu den zugehörigen Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, aufweisen.
Das Fluid ist dabei insbesondere ein Fluidgemisch, vorzugsweise ein Gasgemisch. Vorzugsweise sind dabei die Bestandteile, insbesondere die Hauptbestandteile, des strömenden Fluids bekannt. Die unbekannten Anteile der Hauptbestandteile an dem gesamten Fluid sind insoweit dann unbekannt.
Auf diese Weise kann besonders einfach und effizient anhand der für das strömende Fluid geltenden Werte zu Laufzeit, Temperatur und/oder Druck die Informationen zu den Anteilen ermittelt werden.
Die ermittelte Schallgeschwindigkeit kann dabei beispielsweise anhand der spezifischen Laufzeit ermittelt oder ist anhand dieser ermittelbar, wie zuvor bereits beschrieben wurde.
Die Daten der zweiten Gruppe von Daten können in einem Speicher, insbesondere in einer in dem Speicher gespeicherten Datenbank, abgelegt und/oder von dort abrufbar sein.
Beispielsweise können in der Datenbank zu einem Fluidgemisch aus definierten Bestandteilen, insbesondere Hauptbestandteilen, die bei unterschiedlichen Werte-Kombinationen von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit bestehenden Anteile dieser Bestandteile am Fluidgemisch hinterlegt sein.
Exemplarisch kann das Fluid ein binäres Gas aus den beiden Bestandteilen Argon und Stickstoff sein. In der Datenbank kann dann beispielsweise für alle Drücke von 1...10 bar in Schritten von 1 bar für jeweils alle Temperaturen von 270...300 K in Schritten von 1 K für jeweils alle Schallgeschwindigkeiten zwischen 310 m/s ... 350 m/s in Schritten von 1 m/s die Anteile von Argon und Stickstoff bei dieser Druck-Temperatur-Schallgeschwindigkeits-Kombination hinterlegt sein. Damit wären dann zu 10x31x41 = 12.710 Druck-Temperatur-Schallgeschwindigkeits-Kombinationen die zugehörigen Anteile von Argon und Stickstoff hinterlegt.
Die zweite Gruppe von Daten sind also vorzugsweise, wie hier illustriert, die Anteile der Hauptbestandteile des Fluidgemischs für verschiedene Druck-Temperatur-Schallgeschwindigkeits-Kombinationen des Fluidgemischs einschließlich einer Zuordnung zu diesen Druck-Temperatur-Schallgeschwindigkeits-Werten.
In der Datenbank könnte etwa ein Eintrag bestehen, wonach bei einem Druck von 1 bar, einer Temperatur von 293 K und einer Schallgeschwindigkeit von 330 m/s Argon mit 40 mol/mol % und Stickstoff mit 60 mol/mol % Anteilen im Fluidgemisch enthalten ist. In der Tabelle könnte ein weiterer Eintrag bestehen, wonach bei einem Druck von 1 bar, einer Temperatur von 293 K und einer Laufzeit von 340 m/s Argon mit 17,5 mol/mol % und Stickstoff mit 82,5 mol/mol % Anteilen im Fluid enthalten ist.
Wird dann beispielsweise bei einem Argon-Stickstoff-Fluidgemisch ein Druck von 1 bar, eine Temperatur von 293 K und eine Schallgeschwindigkeit von 330 m/s ermittelt (dies sind drei erste Daten), so kann anhand der Datenbank direkt mittels des vordefinierten Eintrags die Anteile zu 40 mol/mol % Argon und 60 mol/mol % Stickstoff ermittelt werden.
Wird beispielsweise ein Druck von 1 bar, eine Temperatur von 293 K und eine Schallgeschwindigkeit von 335 m/s ermittelt, wozu es keinen vordefinierten Eintrag in der Datenbank gibt, so kann anhand der Datenbank durch Interpolation zwischen den Anteils-Werten der beiden genannten Datenbankeinträge die Anteile zu (0,4+0,175)/2 mol/mol % = 0,2875 mol/mol % Argon und (0,6+0,825)/2 mol/mol % = 0,7125 mol/mol % Stickstoff ermittelt werden, da 335 m/s genau mittig zwischen 330 m/s und 340 m/s liegt.
Unterscheiden sich paarweise mehrere Größen, kann beispielsweise eine Interpolation n-ter Ordnung angewendet werden.
Die Datenbankeinträge, also die Daten der zweiten Gruppe, können vorab und/oder durch Messungen ermittelt werden oder worden sein. Sie können auch on-the-fly numerisch bei Bedarf ermittelt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Ermitteln der Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids ein Korrelieren der ersten Daten mit zumindest Teilen der Daten der zweiten Gruppe von Daten, insbesondere mit den den Anteils-Werten zugeordneten Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, aufweist und wobei anhand eines Maximums der Korrelation die Daten der zweiten Gruppe von Daten zur Ermittlung der Anteile der Hauptbestandteile des strömenden Fluids ermittelt werden.
In einer Ausführungsform wird das Ermitteln der Anteile der Hauptbestandteile des strömenden Fluids mittels eines FPGA der zweiten Recheneinheit ausgeführt.
Optional kann die Zusammensetzungsanalyse unter Einbeziehung der idealen Gasgleichung durchgeführt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das strömende Fluid ein Fluidgemisch, insbesondere ein, vorzugsweise binäres, Gasgemisch wie ein Wasserstoffgemisch oder ein Biogas, aufweist, und wobei vorzugsweise die Bestandteile, insbesondere die Hauptbestandteile, des Fluidgemischs bekannt sind, und/oder dass das strömende Fluid ein verunreinigtes Fluid, insbesondere ein verunreinigtes Gas, wie insbesondere verunreinigter Wasserstoff, ist.
Das strömende Fluid kann auch ein verunreinigtes Fluid sein, wie etwa verunreinigter Wasserstoff. Die Verunreinigungen stellen dann neben dem elementaren Wasserstoff die weiteren Bestandteile des strömenden Fluids dar.
Verunreinigungen können beispielsweise Bestandteile des strömenden Fluids mit einem Anteil von 1000 ppm oder weniger, vorzugsweise von 100 ppm oder weniger, vorzugsweise von 10 ppm oder weniger, sein.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Fluidistor zum Untersuchen der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, insbesondere in einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Fluidistor derart mit der Strömungsleitung fluidal verbunden oder verbindbar ist, so dass zumindest ein Teil des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor führbar ist,
wobei der Fluidistor eine Ultraschallsensorik aufweist sowie eine erste Recheneinheit aufweist und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, eine zu einem spezifischen Zeitpunkt bestehenden Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch einen innerhalb zumindest eines Oszillations-Kanals des Fluidistors oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz zu bestimmen, wobei sich zu dem spezifischen Zeitpunkt die Strömungsrichtung des oszillierenden Teils des Messfluids in dem Oszillations-Kanal umkehrt; und
wobei der Fluidistor eine zweite Recheneinheit aufweist und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die Zusammensetzung des strömenden Fluids basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz zu untersuchen, vorgeschlagen wird.
Ein Fluidistor hat sich überraschend als besonders vorteilhaft herausgestellt, um die Zusammensetzung des durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids zu untersuchen, wenn der Fluidistor mit der Strömungsleitung fluidal verbunden wird. Denn anhand der zugänglichen Laufzeit des Ultraschallsignals zu dem spezifischen Zeitpunkt kann zuverlässig auf die Zusammensetzung des Fluids geschlossen werden.
Die Bestimmung lässt sich dabei sowohl in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit als auch in besonders zuverlässiger und in dennoch robuster Weise ermitteln. Mit dem vorgeschlagenen Fluidistor sind sehr genaue Messung und daher auch eine sehr präzise Untersuchung der Zusammensetzung möglich. Mit dem vorgeschlagenen Fluidistor sind daher auch sehr geringe Verunreinigungen selbst im ppm-Bereich detektierbar.
In einer Ausführungsform ist der Fluidistor mit seinem Fluidein- und/oder Fluidauslass derart mit der Strömungsleitung fluidal verbunden verbindbar, so dass zumindest ein Teil des strömenden Fluids als Messfluid über den Fluideinlass in den Fluidistor einleitbar und durch den Fluidistor führbar ist sowie vorzugsweise über den Fluidauslass aus dem Fluidistor ausleitbar und vorzugsweise zurück in die Strömungsleitung führbar ist. Der Aufbau eines Fluidistors kann sehr kompakt ausgeführt und der Fluidistor damit sehr platzsparend sein.
In einer Ausführungsform ist der Fluidistor zu der Strömungsleitung oder einem Abschnitt davon fluidal parallel oder in Reihe schaltbar.
In einer Ausführungsform ist die Ultraschallsensorik, insbesondere jeweils der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger, zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses des Fluidistors angeordnet.
Alle in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen in Bezug auf den Fluidistor, die Ultraschallsensorik, insbesondere auch deren Anordnung relativ zueinander und innerhalb des Fluidistors, sowie die Recheneinheiten gelten hier ganz entsprechend. Die entsprechenden Merkmale können auch bei dem vorgeschlagenen Fluidistor, insbesondere einzeln und in beliebiger Kombination, vorgesehen sein. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden. Insbesondere kann der konstruktive Aufbau des Fluidistors wie oben beschrieben sein.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Fluidistor einen Temperatursensor, der dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Messfluids im Fluidistor zu ermitteln und/oder einen Drucksensor, der dazu eingerichtet ist, den Druck des Messfluids im Fluidistor zu ermitteln, aufweist.
Druckwerte des Fluids können mit dem Drucksensor und Temperaturwerte des Fluids können mit dem Temperatursensor gemessen und damit berücksichtigt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Teile der Ultraschallsensorik, insbesondere der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger, nicht in den Oszillations-Kanal hineinragen und/oder zumindest einzelne Teile der Ultraschallsensorik, insbesondere der Ultraschallsender und/oder der Ultraschallempfänger der Ultraschallsensorik, vollständig oder zumindest teilweise innerhalb eines Gehäuses des Fluidistors angeordnet sind.
Die Teile der Sensorik (wie also vor allem der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger) können jeweils vollständig oder zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses des Fluidistors angeordnet sein. Dadurch wird die Fluid-Schwingung im Oszillations-Kanal nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt.
In einer Ausführungsform sind der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger an gegenüberliegenden Enden des spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals, entlang dessen die Ultraschallmessungen durchgeführt werden, vorzugsweise innerhalb des Gehäuses, angeordnet.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass der Oszillations-Kanal des Fluidistors einen Verbindungskanal, der zwei, insbesondere auf Höhe eines innerhalb des Hauptkanals angeordneten Störkörpers oder, insbesondere um bis zu 50 cm, vorzugsweise um bis zu 30 cm, vorzugsweise um bis zu 15 cm, vorzugsweise um bis zu 10 cm, vorzugsweise um bis zu 5 cm, stromauf- oder stromabwärts zu dem Störkörper versetzt vorgesehene, Öffnungen des Hauptkanals fluidal miteinander verbindet, aufweist oder darstellt.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Verwendung eines Fluidistors, insbesondere gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids und/oder in einem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, vorgeschlagen wird.
Alle in Bezug auf den ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen gelten hier ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem vierten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Fluid-Bereitstellungs-Einheit, insbesondere Wasserstoff-Betankungs-Einheit, aufweisend zumindest einen Fluidistor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, vorgeschlagen wird.
Beispielsweise kann dadurch die Zusammensetzung des bereitgestellten Fluids (wie Wasserstoff) in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit während der Bereitstellung des Fluids untersucht werden. Ein Betankungsvorgang kann dann beispielsweise abgebrochen werden, wenn das Fluid stärker verunreinigt ist als durch einen definierbaren oder definierten Schwellenwert vorgegeben und damit die Reinheit des Fluids nicht den vorgegebenen Ansprüchen genügt. Alternativ oder ergänzend kann ein Informationssignal erzeugt werden, das, beispielsweise einem anderen System, wie einem Notabschaltesystem, zuführbar ist. Das andere System kann dadurch sehr zuverlässig über die Zusammensetzung des Fluids, insbesondere über die festgestellte Reinheit des Fluids, informiert, insbesondere gewarnt, werden.
Alle in Bezug auf den ersten und/oder zweiten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile und Optionen gelten hier ganz entsprechend. Daher kann an dieser Stelle auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert werden.
Dabei zeigen:

1a eine schematische Ansicht einer ersten Anordnung mit einer Strömungsleitung und einem Fluidistor;
1b eine schematische Ansicht einer zweiten Anordnung mit einer Strömungsleitung und einem Fluidistor;
2 eine schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 1a;
3a eine schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 2 mit einem Fluidfluss während eines ersten Betriebszustandes des Fluidistors;
3b eine schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 2 mit einem Fluidfluss während eines zweiten Betriebszustandes des Fluidistors;
4 ein Diagramm mit einer Messkurve der gemessenen Werte der Laufzeiten; und
5 eine schematische Ansicht einer Wasserstoff-Betankungs-Einheit.

Beschreibung der Ausführungsformen
1a zeigt eine erste Anordnung 1 in einer schematischen Ansicht, mit einer Strömungsleitung 3 und einem zu einem Durchfluss-Abschnitt der Strömungsleitung 3 fluidal parallel geschaltenen Fluidistor 5. Innerhalb der Strömungsleitung 3 strömt ein Fluid 7 (dargestellt durch einen gestrichelten Pfeil).
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Fluidistors 5 in größerem Detail. Der Fluidistor 5 kann ein Fluidistor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung sein.
Der Fluidistor 5 weist einen Fluideinlass 9, durch den ein Messfluid 11 in den Fluidistor 5 hineinströmbar ist, und einen Fluidauslass 13, durch den das Messfluid 11 aus dem Fluidistor 5 hinausströmbar ist, sowie einen Hauptkanal 15, der den Fluideinlass 9 und den Fluidauslass 13 fluidal miteinander verbindet, auf. Innerhalb des Hauptkanals 15 ist ein Störkörper 17 angeordnet, der von dem Messfluid 11 an zwei Seiten umströmbar ist (in 2 wird dieser beispielsweise gerade auf der rechten Seite umströmt). Der Hauptkanal 15 weist stromaufwärts zu dem Störkörper 17 versetzt zwei Öffnungen 19, 21 auf, die beide durch einen Oszillations-Kanal 23 fluidal miteinander verbunden sind und wobei sich die beiden Öffnungen gegenüberliegen, insbesondere sind die beiden Öffnungen 19, 21 in zwei gegenüberliegenden Wandbereichen des Hauptkanals 15. Der Oszillations-Kanal 23 ist also gewissermaßen ein Verbindungskanal zwischen diesen beiden Öffnungen.
In der Anordnung 1 (1a) befindet sich eine Blende 25 in dem Durchfluss-Abschnitt der Strömungsleitung 3, und damit also fluidal zwischen den beiden Abzweigungen 27 und 29 der Strömungsleitung 3, welche Abzweigungen mit dem Fluideinlass 9 und dem Fluidauslass 13 des Fluidistors 5 fluidal verbunden sind. Durch die Blende 25 kann der Teil des in der Strömungsleitung 3 strömenden Fluids 7, der über die Abzweigung 27 und den Fluideinlass 9 als Messfluid 11 durch den Fluidistor 5 geführt wird, definiert werden oder definierbar sein. Beispielsweise kann eine kleinere Blendenöffnung zu einem größeren Fluidstrom über den Fluidistor 5 führen und umgekehrt.
3a zeigt die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 2 mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines ersten Betriebszustandes des Fluidistors. 3b zeigt die schematische Querschnittsansicht des Fluidistors aus 2 mit eingezeichnetem Fluidfluss während eines zweiten Betriebszustandes des Fluidistors.
Trifft nun das Messfluid 11, von dem Fluideinlass 9 kommend, in dem Hauptkanal 15 auf den in dem Hauptkanal 15 angeordneten Störkörper 17, so muss es diesen umströmen, um zu dem Fluidauslass 13 zu gelangen. Wenn das Messfluid 11 den Störkörper 17 rechtsherum umströmt, wie es in 3a illustriert ist, führt dies zu einem Überdruck an der Öffnung 19 (gekennzeichnet durch ein „+“) und zu einem Unterdruck an der Öffnung 21 (gekennzeichnet durch ein „-“). Aufgrund der Druckverhältnisse strömt innerhalb des Oszillations-Kanals 23 ein Teil 24 des Messfluids 11 von der Öffnung 19 zur Öffnung 21, also in 3a entgegen des Uhrzeigersinns. Dies ist durch entsprechende Pfeile innerhalb des Oszillations-Kanals 23 illustriert. Dadurch wird ein Druckausgleich bewirkt. Dies wiederum führt letztlich dazu, dass das Messfluid 11 den Störkörper 17 linksherum umströmt, und sich eine umgekehrte Druckverteilung (wieder gekennzeichnet durch ein „+“ und ein „-“) an den Öffnungen 19, 21 aufbaut. Aufgrund der neuen Druckverhältnisse strömt dann, wie in 3b dargestellt, innerhalb des Oszillations-Kanals 23 ein Teil 24 des Messfluids 11 von der Öffnung 21 zur Öffnung 19, also in 3b im Uhrzeigersinn. Die Druckverhältnisse wechseln periodisch, weshalb Fluid in dem Oszillations-Kanals 23 oszilliert, sich also periodisch die Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Oszillations-Kanals 23 umkehrt. Der Oszillations-Kanal 23 wird aus diesem Grund in der vorliegenden Anmeldung als Oszillations-Kanal bezeichnet.
Der Oszillations-Kanal 23 und der Hauptkanal 15 sind innerhalb eines Gehäuses 31 des Fluidistors 5 ausgebildet. Dem Fachmann ist es bekannt, dass das oszillierende Fluid 24 freilich laufend durch neue Teile 24 des in den Fluidistor 5 einströmenden Messfluids 11 ausgetauscht wird.
Innerhalb des Gehäuses 31 sind ein Ultraschallsender 33 und ein Ultraschallempfänger 35 ortsfest angeordnet. Zwischen Sender 33 und Empfänger 35 können Messungen der Laufzeit eines Ultraschallsignals 37 (das der Übersichtlichkeit halber nur in 2, nicht aber in 3a und 3b, dargestellt ist) entlang eines spezifischen Abschnitts 39 des Oszillations-Kanals 23 durchgeführt werden. Der spezifische Abschnitt 39 ist dabei ein gerader Abschnitt des Oszillations-Kanals 23. An den beiden Enden des spezifischen Abschnitts 39 sind der Ultraschallsender 33 und der Ultraschallempfänger 35 vorgesehen. Während der Teil 24 des Messfluids innerhalb des Oszillations-Kanals 23 oszilliert, werden mehrere Laufzeitmessungen zwischen Sender 33 und Empfänger 35 durchgeführt. Das heißt, es werden mehrere Messungen der Laufzeit des von dem Sender 33 ausgesendeten und von dem Empfänger 35 empfangenen Ultraschallsignals 37 durchgeführt, während sich die Strömungsrichtung des Fluids in dem Oszillations-Kanal 23 periodisch umkehrt. Die Ausbreitung (Propagation) des Ultraschallsignals 37 erfolgt dabei immer entlang derselben Richtung R entlang des spezifischen Abschnitts 39 und durch das darin oszillierende Fluid.
4 zeigt eine Messkurve, die sich durch die Vielzahl von aufeinanderfolgenden Laufzeitmessungen durch das oszillierende Fluid entlang des spezifischen Abschnitts 39 (also zwischen Sender 33 und Empfänger 35) ergeben.
Da das Fluid aufgrund dessen periodisch umkehrenden Strömungsrichtung zyklisch einmal auf den Sender 33 zuströmt und einmal wieder von ihm wegströmt, ist die Laufzeit des Ultraschallsignals 37 entlang des spezifischen Abschnitts 39 vom Sender 33 bis zum Empfänger 35 periodisch vergrößert und verkleinert, während das Ultraschallsignal 37 durch das Fluid propagiert. Insgesamt beschreiben die aufeinanderfolgenden, in gleichen Zeitabständen ermittelten, Messwerte der Laufzeit damit eine Messkurve mit einem sinusförmigen Verlauf. Die einzelnen Messwerte sind in 4 durch Kreisflächen dargestellt. Außerdem ist auch der durch die Messwerte beschriebene Sinus zur Illustration in 4 eingezeichnet. Eine Periode der Sinus-Messkurve entspricht dabei gerade einem Strömungszyklus innerhalb des Oszillations-Kanals. In den Umkehrpunkten der Sinus-Messkurve ist das Fluid innerhalb des spezifischen Abschnitts 39 gerade in Ruhe, jedenfalls in dem Sinne, als die dann bestehende Laufzeit gerade der Laufzeit in einem ruhenden Fluid des jeweiligen Typs entspricht.
Anhand der Messwerte kann der Wendepunkt der durch diese Messwerte beschriebene Sinuskurve ermittelt werden. Beispielsweise kann dies durch Interpolation der Messwerte erfolgen und/oder indem eine Sinuskurve als Fitkurve durch die Messwerte gelegt wird. Einer der Wendepunkte der so ermittelten Sinuskurve liegt bei einem in 4 mit To gekennzeichneten spezifischen Zeitpunkt. Die Laufzeit hat zu dem spezifischen Zeitpunkt To einen Wert von Lo. Dieser Wert L₀ ist damit die spezifische Laufzeit. Der Wert der spezifischen Laufzeit könnte auch durch Mitteln aller Messwerte zumindest einer vollständigen Periode der drei dargestellten Perioden der Sinuskurve erhalten werden.
Mittels eines Drucksensors 41 wird außerdem der Druck des Messfluids im Fluidistor 5 gemessen. Der Drucksensor 41 misst den Druck des Messfluids innerhalb des spezifischen Abschnitts 39 des Oszillations-Kanals 23 und ist dazu zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 31 vorgesehen. Mittels eines Temperatursensors 43 wird außerdem die Temperatur des Messfluids im Fluidistor 5 gemessen. Der Temperatursensor 43 misst die Temperatur des Messfluids innerhalb des spezifischen Abschnitts 39 des Oszillations-Kanals 23 und ist dazu zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 31 vorgesehen.
Die spezifische Laufzeit wird unter Einbeziehung des bekannten physikalischen Abstands zwischen Ultraschallsender 33 und Ultraschallempfänger 35 in die Schallgeschwindigkeit des Fluids umgerechnet.
Natürlich könnten alternativ auch zwischen Sender 33 und Empfänger 35 Messungen der Phasendifferenz des Ultraschallsignals 37 entlang des spezifischen Abschnitts 39 des Oszillations-Kanals 23 durchgeführt werden, um ausgehend davon die spezifische Phasendifferenz und darauf basierend die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen.
Beispielsweise kann in einer ersten Variante das durch die Strömungsleitung 3 strömende Fluid 7 gasförmiger Wasserstoff mit unterschiedlich starken Verunreinigungen sein. Es soll daher im Rahmen der Untersuchung der Zusammensetzung des Fluids das Maß der Reinheit ermittelt werden. In einem Speicher ist für unterschiedliche Kombinationen von Fluid-Druck und Fluid-Temperatur jeweils die Soll-Schallgeschwindigkeit von reinem Wasserstoff hinterlegt. Diese Soll-Werte können beispielsweise numerisch oder experimentell ermittelt worden sein. Vorliegen wird nun basierend auf dem gemessenen Druck und der gemessenen Temperatur die zu diesem Druck-Temperatur-Werte-Paar im Speicher hinterlegte Soll-Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff abgerufen. Die Differenz zwischen der ermittelten Schallgeschwindigkeit (die wie beschrieben mit der bestimmten spezifischen Laufzeit in Beziehung steht) und der aus dem Speicher abgerufenen Soll-Schallgeschwindigkeit wird als Maß für die Reinheit des Wasserstoffs ermittelt. Eine Differenz von Null würde damit ein (innerhalb der Messungenauigkeit) reines Wasserstoffgas anzeigen.
Beispielsweise kann in einer zweiten Variante das durch die Strömungsleitung 3 strömende Fluid 7 ein Fluidgemisch, nämlich ein Gasgemisch, mit den bekannten Hauptbestandteilen Argon und Wasserstoff sein, wobei deren Anteile an dem Fluidgemisch aber unbekannt sind. Die Anteile sollen daher im Rahmen der Untersuchung der Zusammensetzung des Fluids ermittelt werden. In einem Speicher sind für unterschiedliche Kombinationen von Fluid-Schallgeschwindigkeit, Fluid-Druck und Fluid-Temperatur die Anteile von Argon und Wasserstoff in einem Argon-Wasserstoff-Fluidgemisch hinterlegt. Vorliegen wird nun basierend auf der ermittelten Schallgeschwindigkeit (die wie beschrieben mit der bestimmten spezifischen Laufzeit in Beziehung steht), dem gemessenen Druck und der gemessenen Temperatur die zu diesem Schallgeschwindigkeit-Druck-Temperatur-Werte-Trippel im Speicher hinterlegten Anteile der Hauptbestandteile des Fluidgemischs abgerufen. Dadurch kann die Zusammensetzung des Fluidgemischs in Form der Anteile der Hauptbestandteile des Fluidgemischs, also die Anteile von Argon und Wasserstoff, ermittelt werden.
1b zeigt eine zweite Anordnung 1' in einer schematischen Ansicht. Merkmale der zweiten Anordnung 1', die gleich sind zu Merkmalen der ersten Anordnung 1' sind mit gleichen, aber einfach gestrichenen Bezugszeichen versehen. Die zweite Anordnung 1' weist eine Strömungsleitung 3' und einen Fluidistor 5' auf, wobei die Strömungsleitung 3' an ihrem einen Ende mit einem Fluideinlass 9' des Fluidistors 5' fluidal verbunden ist. Innerhalb der Strömungsleitung 3' strömt ein Fluid 7'.
In der Anordnung 1' (1b) wird das gesamte Fluid 7' über den Fluideinlass 9' des Fluidistors 5' als Messfluid durch den Fluidistor 5' geführt. Auf gleiche Weise wie zuvor in Bezug auf die Anordnung 1 und den Fluidistor 5 beschrieben wurde, wird auch bei der Anordnung 1' mit dem Fluidistor 5' die spezifische Laufzeit im Oszillations-Kanal 23 bestimmt. Um die Zusammensetzung des Fluids 7' durch die Strömungsleitung 3' zu untersuchen, kann exemplarisch ganz entsprechend wie in den beiden in Bezug auf die erste Anordnung 1 beschriebenen Varianten auch hier die Reinheit eines Gases und/oder die Anteile eines Fluidgemischs ermittelt werden.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer Wasserstoff-Betankungs-Einheit 45.
Mittels der Einheit 45 wird Wasserstoff über eine Strömungsleitung 47 aus einem Wasserstoff-Tank 49 an einen Empfänger 51 bereitgestellt. Der Empfänger 51 kann beispielsweise ein Wasserstofftank, etwa in einem Kraftfahrzeug, sein.
Die Wasserstoff-Betankungs-Einheit 45 weist einen erfindungsgemäßen Fluidistor 53 auf. Es kann sich dabei beispielsweise um den Fluidistor 5 handeln. Dadurch kann während des Betankens, also während Wasserstoff aus dem Tank 49 an den Empfänger 51 bereitgestellt wird, kontinuierlich die Reinheit des Wasserstoffs bestimmt werden und bei Unterschreiten eines definierten oder definierbaren Schwellenwertes der erforderlichen Mindestreinheit der Betankungsvorgang abgebrochen werden.
Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
Bezugszeichenliste

1, 1': Anordnung
3, 3': Strömungsleitung
5,5': Fluidistor
7, 7': Fluid
9,9': Fluideinlass
11: Messfluid
13, 13': Fluidauslass
15: Hauptkanal
17: Störkörper
19: Öffnung
21: Öffnung
23: Oszillations-Kanal
24: Teil des Messfluids
25: Blende
27: Abzweigung
29: Abzweigung
31: Gehäuse
33: Ultraschallsender
35: Ultraschallempfänger
37: Ultraschallsignal
39: Abschnitt
41: Drucksensor
43: Temperatursensor
45: Wasserstoff-Betankungs-Einheit
47: Strömungsleitung
49: Wasserstoff-Tank
51: Empfänger
53: Fluidistor
L0: Spezifische Laufzeit
R: Richtung
To: Spezifischer Zeitpunkt

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

DE 2840993 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, das Verfahren aufweisend: Führen zumindest eines Teils des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch einen Fluidistor; Bestimmen einer zu einem spezifischen Zeitpunkt bestehenden Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch einen innerhalb zumindest eines Oszillations-Kanals des Fluidistors oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz, wobei sich zu dem spezifischen Zeitpunkt die Strömungsrichtung des oszillierenden Teils des Messfluids in dem Oszillations-Kanal umkehrt; und Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz aufweist, dass, insbesondere mittels einer Ultraschallsensorik, zumindest eine, vorzugsweise eine Vielzahl von, Messungen der Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch den innerhalb des Oszillations-Kanals des Fluidistors, vorzugsweise mit einer Oszillationsfrequenz, oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals durchgeführt wird, insbesondere die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und/oder entlang zumindest eines spezifischen Abschnitts des Oszillations-Kanals des Fluidistors durchgeführt werden, und wobei vorzugsweise basierend zumindest auf den Messwerten der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die einzelnen Messwerte der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen eine Messkurve mit sinusförmigen Verlauf beschreiben und/oder anhand der Messwerte der Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen eine Messkurve mit sinusförmigen Verlauf ermittelt wird, und wobei vorzugsweise (i) der Wert der Laufzeit und/oder Phasendifferenz bei einem Wendepunkt der Sinuskurve ermittelt und als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz bestimmt wird und/oder (ii) von einer Vielzahl von einzelnen Messwerten, insbesondere von den Messwerten zumindest einer, vorzugsweise mehrerer, Periode, ein Mittelwert, wie ein arithmetischer Mittelwert, berechnet wird und dieser Mittelwert als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen mittels eines, vorzugsweise ortsfesten, Ultraschallsenders der Ultraschallsensorik und eines, vorzugsweise ortsfesten, Ultraschallempfängers der Ultraschallsensorik durchgeführt werden und/oder wobei die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen entlang eines Übertragungswegs zwischen dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Ultraschallpropagation bei allen Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen entlang derselben Richtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Laufzeitmessungen und/oder Phasendifferenzmessungen mittels eines kontinuierlich ausgesendeten oder mittels eines periodisch ein- und ausgeschaltenen Ultraschallsignals erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei dem, insbesondere kontinuierlichen, Ultraschallsignal sendeseitig, vorzugsweise periodisch, Marker aufgeprägt und diese Marker empfangsseitig detektiert werden und/oder das Ultraschallsignal sendeseitig zeitabhängig moduliert wird, und wobei vorzugsweise basierend zumindest auf einer Auswertung der Marker und/oder der Modulation die zumindest eine Laufzeit und/oder Phasendifferenz, vorzugsweise die Vielzahl von Laufzeiten und/oder Phasendifferenzen, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druck und/oder die Temperatur des Messfluids synchron zu einer jeden Laufzeitmessung und/oder Phasendifferenzmessung gemessen wird, wobei die Schallgeschwindigkeit des strömenden Fluids basierend auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz und dem physikalischen Abstand zwischen dem Ultraschallempfänger und dem Ultraschallsender berechnet wird und/oder wobei das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids außerdem basierend auf dem gemessenen Druckwert, dem gemessenen Temperaturwert und/oder der Schallgeschwindigkeit des Fluids durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids das Ermitteln der Reinheit des strömendes Fluids oder ein Maß dafür aufweist oder darstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln der Reinheit des strömenden Fluids oder ein Maß dafür aufweist, dass eine Differenz zwischen der basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz ermittelten Schallgeschwindigkeit und einer für das Fluid, insbesondere bei dem gemessenen Druck und/oder bei der gemessenen Temperatur, definierten oder definierbaren Soll-Schallgeschwindigkeit ermittelt wird und anhand der ermittelten Differenz die Reinheit des strömendes Fluids oder ein Maß dafür ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Untersuchen der Zusammensetzung des strömenden Fluids das Ermitteln des Anteils zumindest eines definierten oder definierbaren Bestandteils, vorzugsweise der Anteile von zwei oder mehr als zwei definierten oder definierbaren Bestandteilen, des strömenden Fluids in dem strömenden Fluid aufweist oder darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ermitteln des Anteils des Bestandteils und/oder der Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids in dem strömenden Fluid aufweist, dass zumindest teilweise anhand zumindest eines ersten Datums aus einer ersten Gruppe von Daten die Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids auf Basis von Daten einer zweiten Gruppe von Daten, insbesondere durch Interpolation oder Extrapolation der Daten der zweiten Gruppe von Daten, ermittelt werden, wobei vorzugsweise die Daten der ersten Gruppe von Daten die spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz, die ermittelte Schallgeschwindigkeit des Fluids, den gemessenen Druck, die gemessene Temperatur und/oder die aus diesen gemessenen Werten wiederum ermittelten Werten aufweisen, und/oder die Daten der zweiten Gruppe von Daten Werte, insbesondere, vorzugsweise empirisch, experimentell, numerisch und/oder theoretisch ermittelte oder ermittelbare, Soll-Werte, der Anteile der Bestandteile des strömendes Fluids bei unterschiedlichen Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, sowie vorzugsweise eine Zuordnung der Anteils-Werte zu den zugehörigen Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ermitteln der Anteile der Bestandteile des strömenden Fluids ein Korrelieren der ersten Daten mit zumindest Teilen der Daten der zweiten Gruppe von Daten, insbesondere mit den den Anteils-Werten zugeordneten Werten von Druck, Temperatur und/oder Schallgeschwindigkeit, aufweist und wobei anhand eines Maximums der Korrelation die Daten der zweiten Gruppe von Daten zur Ermittlung der Anteile der Hauptbestandteile des strömenden Fluids ermittelt werden.
Fluidistor zum Untersuchen der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids, insbesondere in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Fluidistor derart mit der Strömungsleitung fluidal verbunden oder verbindbar ist, so dass zumindest ein Teil des durch die Strömungsleitung strömenden Fluids als Messfluid durch den Fluidistor führbar ist, wobei der Fluidistor eine Ultraschallsensorik aufweist sowie eine erste Recheneinheit aufweist und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, eine zu einem spezifischen Zeitpunkt bestehenden Laufzeit und/oder Phasendifferenz eines durch einen innerhalb zumindest eines Oszillations-Kanals des Fluidistors oszillierenden Teil des Messfluids propagierenden Ultraschallsignals als spezifische Laufzeit und/oder spezifische Phasendifferenz zu bestimmen, wobei sich zu dem spezifischen Zeitpunkt die Strömungsrichtung des oszillierenden Teils des Messfluids in dem Oszillations-Kanal umkehrt; und wobei der Fluidistor eine zweite Recheneinheit aufweist und/oder mit einer solchen in Wirkverbindung steht oder bringbar ist, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die Zusammensetzung des strömenden Fluids basierend zumindest auf der spezifischen Laufzeit und/oder spezifischen Phasendifferenz zu untersuchen.
Verwendung eines Fluidistors, insbesondere nach Anspruch 14, zur Untersuchung der Zusammensetzung eines durch eine Strömungsleitung strömenden Fluids und/oder in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.