DE10308051A1

DE10308051A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen von strömenden Medien

Info

Publication number: DE10308051A1
Application number: DE2003108051
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. rer. nat. Gasch; Peter Dr. rer. nat. Riegler; Pulickel M. Prof. Ajayan
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen von strömenden Medien (12) innerhalb von Rohrleitungen (10). Für die Durchführung des Verfahrens wird eine Sensoreinheit (2) in direkten Kontakt mit dem strömenden Medium (12) gebracht. Die Sensoreinheit (2) ist mit einem oder mehreren Nanobauelementen (2N) versehen, die von dem Medium (12) in Schwingungen versetzt werden. Gleichzeitig werden die Nanobauelemente (2N) verformt, wodurch ihre elektrischen Widerstände verändert werden. Die Eigenschaften der Schwingungen werden erfasst und/oder die Änderungen der elektrischen Widerstände ermittelt. Aus den Messwerten können dann beispielsweise die Flussgeschwindigkeit, der Volumendurchfluss und der Massendurchfluss des strömenden Mediums (12) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen von strömenden Medien gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.

Solche Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachen von strömenden Medien kommen in zunehmendem Maße in technischen Prozessen und Anlagen zur Anwendung.

Bis jetzt werden zur Ermittlung des Durchflusses von strömenden Medien beispielsweise Messvorrichtungen verwendet, bei denen die Einwirkung der Corioliskraft genutzt wird. Solche Messvorrichtungen sind jedoch nicht für Rohrleitungen mit großen Durchmessern geeignet. Ihr Einbau in Rohrleitungen oder andere Bauteile ist schwierig und aufwendig. Zudem reagieren diese Messvorrichtungen auf externe Schwingungen mit ungenauen Messwerten.

Des weiteren sind auch induktiv arbeitende Messvorrichtungen zur Bestimmung des Durchflusses von strömenden Medien bekannt. Diese können jedoch nur für solche Medien verwendet werden, die eine elektische Leitfähigkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Überwachung von strömenden Medien jeder Art exakt möglich ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann.

Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst.

Zum Überwachen eines Mediums, das beispielsweise durch eine Fördereinrichtung in Form einer Rohrleitung strömt, wird mindestens ein Nanobauelement, das als Nano-Röhrchen oder Nano-Faser ausgebildet ist, der Einwirkung dieses strömenden Mediums ausgesetzt. Vorzugsweise werden jedoch eine Vielzahl solcher Nano-Röhrchen, die aus Kohlenstoff gefertigt sind, an der Innenfläche der Rohrleitung so angeordnet, dass sie in einen direkten Kontakt mit dem strömenden Medium haben. Das strömende Medium bewirkt, dass die Nano-Röhrchen in Schwingungen versetzt werden. Aus den Amplituden und Frequenzen dieser Schwingungen lassen sich unter anderem die Flussgeschwindigkeit, der Volumendurchfluss und der Massendurchfluss des strömenden Mediums bestimmen. Ferner kann mit Hilfe der in Schwingung versetzten Nano-Röhrchen auch die Dichte und die Viskosität des Mediums ermittelt werden. Durch die Einwirkungen des Mediums werden die Nano-Röhrchen zudem verformt, wodurch deren elektrische Widerstände verändert werden. Die Größe dieser Änderungen werden durch die Eigenschaften des Mediums bestimmt. Die Änderungen der elektrischen Widerstände können als Messwerte erfasst werden. Daraus lassen sich dann unter anderem die Flussgeschwindigkeit, der Volumendurchfluss und der Massendurchfluss des Mediums ermittelt.

Für die Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die mindestens eine Sensoreinheit aufweist. Die Sensoreinheit umfasst eine definierte Anzahl von Nano-Röhrchen. Die Nano-Röhrchen sind senkrecht auf der Oberfläche einer Elektrode angeordnet und damit elektrisch leitend verbunden. Die Nano-Röhrchen sind alle gleich lang. Ihre Längsachsen sind dabei so ausgerichtet, dass sie senkrecht zur Oberfläche der Elektrode verlaufen. Unmittelbar benachbarte Nano-Röhrchen haben den gleichen Abstand voneinander. Dieser wird so groß gewählt, dass sich die Nano-Röhrchen auch in einem verformten Zustand niemals berühren. Die Elektrode ist von einer Isolation umgeben. Durch diese sind die Nano-Röhrchen und eine Signalleitung hindurchgeführt, die mit der Elektrode verbunden ist. Die Form der Elektrode wird an die geometrische Form der Rohrleitung angepasst, in welche die Sensoreinheit eingebaut werden soll. Vorzugsweise wird die Innenfläche der Rohrleitung mit einer Ausnehmung versehen, in welche die Sensoreinheit eingesetzt werden kann. Die Ausnehmung ist so geformt, dass die Nano-Röhrchen über die gesamte Länge in den Innenbereich der Rohrleitung ragen, und ihre Längsachsen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums ausgerichtet sind. Um die Messsignale erfassen und auswerten zu können, ist die Signalleitung außerhalb der Rohrleitung an einen Signalanalysator angeschlossen, dem ein Datenprozessor nachgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß können die Nano-Röhrchen der Sensoreinheit zu Bündeln zusammen werden. Jedes Bündel umfasst dabei eine definierte Anzahl an Nano-Röhrchen. Die Bündel werden so angeordnet, dass die Längsachsen der Nano-Röhrchen auch hierbei senkrecht zur Strömungsrichtung des zu überwachenden Mediums ausgerichtet sind. Jedes Bündel ist an einem Ende mit einem flächigen, elektrischen Kontaktelement versehen, das mit den Enden aller zu einem Bündel gehörenden Nano-Röhrchen in Verbindung steht. Die Bündel werden so mit der Innenfläche des Bauteils verbunden, dass die elektrischen Kontaktelemente dem Bauteil gegenüberliegen, wobei zwischen jedem Kontaktelement und dem Bauteil ein Isolationselement angeordnet ist. Jedes elektrische Kontaktelement eines Bündels ist über eine Signalleitung an einen Multiplexer angeschlossen, dem ein Datenprozessor nachgeschaltet ist.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Vorrichtung kann auch mit einer Sensoreinheit versehen werden, die zwei Elektroden aufweist, welche im Abstand voneinander angeordnet und von einem Nanobauelement überbrückt sind. Das Nanobauelement kann als Nano-Röhrchen oder als Nano-Faser ausgebildet sein. Die Sensoreinheit wird auf der Innenfläche einer Rohrleitung angeordnet, durch die ein Medium strömt, das überwacht werden soll. Zwischen den Elektroden und Rohrleitung ist eine elektrische Isolation angeordnet. Die Sensoreinheit wird bei der Installa tion so positioniert, dass die beiden Elektroden auf einer Graden liegen, die parallel zur Strömungsrichtung des Mediums ausgerichtet ist. Die beiden Elektroden sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Ein Strommessgerät, das über einen Ohmschen Widerstand mit der Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist, steht mit seinem Signalausgang mit einem Datenprozessor in Verbindung. Durch das in der Rohrleitung strömende Medium wird das Nanobauelement verformt bzw. gedehnt. Dadurch wird der elektrische Widerstand des Nanobauelements verändert. Das wiederum verursacht eine Änderung des Stroms, der durch das Nanobauelement fließt. Diese Änderung des Stroms wird gemessen. Aus den ermittelten Messsignalen können die Eigenschaften des strömenden Mediums ermittelt werden.

Es besteht die Möglichkeit, beliebig viele der oben beschriebenen Sensoreinheiten über die Innenfläche einer Rohrleitung verteilt, zu installieren. Mit diesen Sensoreinheiten können dann beispielsweise viele räumlich voneinander getrennte Informationen über ein Medium in einer Rohrleitung ermittelt werden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Überwachen eines strömenden Medien,
2 die Sensoreinheit der Vorrichtung gemäß 1 innerhalb einer Rohrleitung,
3 eine Variante der Vorrichtung gemäß 1,
4 eine weitere Vorrichtung zum Überwachen eines strömenden Mediums.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst eine Sensoreinheit 2, einen Netzwerkanalysator 3 und einen Datenprozessor 4. Die Sensoreinheit 2 weist eine definierte Anzahl von Nanobauelementen 2N auf, die aus Kohlenstoff gefertigt und als Nano-Röhrchen 2N ausgebildet sind. Die Nano-Röhrchen 2N sind auf der Oberfläche einer flächig ausgebildeten Elektrode 2E angeordnet, und damit elektrisch leitend verbunden. Die Nano-Röhrchen 2N sind alle gleich lang. Ihre Längsachsen sind so ausgerichtet, dass sie senkrecht zur Oberfläche der Elektrode 2E verlaufen. Unmittelbar benachbarte Nano-Röhrchen 2N haben den gleichen Abstand voneinander. Dieser wird so groß gewählt, dass sich die Nano-Röhrchen 2N auch in einem verformten Zustand niemals berühren. Die Elektrode 2E ist von einer Isolation 2Z umgeben. Durch diese sind die Nano-Röhrchen 2 und eine Signalleitung 5 hindurchgeführt, die ebenfalls mit der Elektrode 2E verbunden ist. Die Form der Elektrode 2E wird an die geometrische Form der Innenfläche einer jeden Rohrleitung 10 angepasst, in welche die Sensoreinheit 2 eingebaut werden soll. Die Rohrleitung 10 ist in 2 im Schnitt parallel zu ihrer Längsachse zusammen mit der Sensoreinheit 2 dargestellt. Vorzugsweise ist die Innenfläche der Rohrleitung 10 mit einer Ausnehmung 11 versehen. Die Sensoreinheit 2 kann so in diese Ausnehmung 11 eingesetzt werden, dass die Nano-Röhrchen 2N über die gesamte Länge in den Innenbereich der Rohrleitung 10 ragen. Dabei sind die Längsachsen der Nano-Röhrchen 2N senkrecht zur Strömungsrichtung eines Mediums 12 ausgerichtet, das innerhalb der Rohrleitung 10 transportiert wird. Die Signalleitung 5 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus der Rohrleitung 10 herausgeführt, und außerhalb derselben mit dem Netzwerkanalysator 3 verbunden, dessen Signalausgang an den Datenprozessor 4 angeschlossen.
Wie 2 zeigt, werden die Nano-Röhrchen 2N durch das strömende Medium 12 verformt, wie das den vergrößerten Ausschnitten A und B der Sensoreinheit 2 zu entnehmen ist. Durch die Verformungen werden die elektrischen Widerstände der Nano-Röhrchen verändert. Gleichzeitig werden die Nano-Röhrchen 2N in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen werden gemessen. Aus den Messsignalen, die von der Elektrode 2E kommen, können beispielsweise die Flussgeschwindigkeit, der Volumen durchfluss und der Massendurchfluss des strömenden Mediums in der Rohrleitung 10 ermittelt werden.
3 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zum Überwachen eines strömenden Mediums (hier nicht dargestellt) innerhalb der Rohrleitung 10. Die Vorrichtung 1 ist ebenfalls mit einer Sensoreinheit 2 versehen. Hierbei sind die Nanobauelemente 2N zu Bündeln 2B zusammengefasst. Jedes Bündel 2B weist eine definierte Anzahl an Nano-Röhrchen 2N auf. Jedes Bündel 2B ist am ersten Ende mit einem flächigen elektrischen Kontaktelement 2K versehen, das mit den Enden aller zu einem Bündel 2B gehörenden Nano-Röhrchen 2N in Verbindung steht. Die Bündel 2B werden so angeordnet, dass die Längsachsen der Nano-Röhrchen 2N auch hierbei senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums (hier nicht dargestellt) ausgerichtet sind. Die Bündel 2B werden so mit der Innenfläche der Rohrleitung 10 verbunden, dass die Kontaktelemente 2K der Innenfläche der Rohrleitung 10 zugewandt sind. Zwischen jedem Kontaktelement 2K und der Rohrleitung 10 ist ein Isolationselement 2S angeordnet. Jedes elektrische Kontaktelement 2K eines Bündels 2B ist über eine Signalleitung 5 an einen Multiplexer 6 angeschlossen, dem ein Datenprozessor 4 nachgeschaltet ist.
4 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einer Sensoreinheit 2, die zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 2E aufweist. Die beiden Elektroden 2E sind über ein Nanobauelement 2N in Form eines Nano-Röhrchens oder einer Nano-Faser elektrisch miteinander verbunden. Die beiden Elektroden 2E sind auf einem flächig ausgebildeten Isolator 2Z angeordnet. Dieser ist auf der Innenfläche der Rohrleitung 10 befestigt, von der hier nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Die Sensoreinheit 2 ist innerhalb der Rohrleitung 10 so angeordnet, dass die Längsachse des Nanobauelements 2N parallel zur Strömungsrichtung des Mediums (hier nicht dargestellt) ausgerichtet ist. Die beiden Elektroden 2E sind an eine Gleichspannungsquelle 7 angeschlossen, die außerhalb der Rohrleitung 10 angeordnet ist. Ein Strommessgerät 8 ist über einen Ohmschen Widerstand 9 mit der Gleichspannungsquelle 7 in Reihe geschaltet. Ein Signalausgang des Strommessgeräts 8 steht mit einem Datenprozessor 8D in Verbindung. Durch das strömende Medium wird das Nanobauelement 2N verformt. Hierdurch wird der elektri sche Widerstand des Nanobauelements 2N verändert. Damit ändert sich auch die Größe des Stroms, der durch das Nanobauelement 2N fließt. Der Strom, der jetzt durch das Nanobauelement fließt, kann größer oder kleiner sein als der Strom, der durch das unverformte Nanobauelement 2N. Das hängt von der jeweiligen Struktur des aus Kohlenstoff gefertigten Nanobauelements 2N ab. Die Struktur kann durch entsprechende Dotierungen hierfür eingestellt werden. Aus der Änderung dieses Stroms können die Eigenschaften des Mediums wie Flussgeschwindigkeit, Volumendurchfluss und Massendurchfluss ermittelt werden können.
An Stelle des sich ändernden Widerstands eine Nanobauelements, das durch die Einwirkungen eines strömenden Mediums verformt wird, kann auch die Änderung einer Spannung gemessen werden, die in ein Nanobauelement induziert wird.
Es besteht die Möglichkeit, beliebig viele Sensoreinheiten 2, wie sie in den 1, 3 und 4 dargestellt und in den zugehörigen Beschreibungen erläutert sind, über die Innenfläche der Rohrleitung 10 verteilt, zu installieren. Mit diesen Sensoreinheiten 2 ist es beispielsweise möglich, räumlich voneinander getrennte Informationen über ein Medium an verschiedenen Stellen der Rohrleitung 10 zu erhalten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst sie alle Variationen des Verfahren und der Vorrichtung, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Verfahren zum Überwachen von strömenden Medien (12) innerhalb geschlossener Fördereinrichtungen in Form von Rohrleitungen (10) dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Nanobauelement (2N) in Form eines Nano-Röhrchens oder einer Nano-Faser in einen direkten Kontakt mit dem strömenden Mediums (12) gebracht und von diesem in Schwingungen versetzt wird, und dass die Eigenschaften der Schwingungen erfasst und daraus die Größe der Flussgeschwindigkeit, des Volumendurchflusses und des Massendurchflusses sowie die Dichte und die Viskosität des strömenden Mediums (12) ermittelt werden.
Verfahren zum Überwachen von strömenden Medien (12) innerhalb geschlossener Fördereinrichtungen in Form von Rohrleitungen (10), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Nanobauelement (2N) in Form eines Nano-Röhrchens oder einer Nano-Faser in einen direkten Kontakt mit dem strömenden Mediums (12) gebracht, von diesem verformt, und der dabei sich ändernde elektrische Widerstand des Nanobauelements (2N) und/oder eine in das Nanobauelement (2N) induzierte Spannung erfasst und daraus die Größe der Flussgeschwindigkeit, des Volumendurchflusses und des Massendurchflusses des strömenden Mediums ermittelt wird.
Vorrichtung zum Überwachen von strömenden Medien innerhalb geschlossener Fördereinrichtungen in Form von Rohrleitungen (10), insbesondere zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet, durch mindestens eine Sensoreinheit (2), die wenigstens ein Nanobauelement (2N) aus Kohlenstoff aufweist, das in einem direkten Kontakt mit dem strömenden Medium (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) ein definierte Anzahl von Nano-Röhrchen (2N) aufweist, die senkrecht auf der Oberfläche einer Elektrode (2E) angeordnet und damit elektrisch leitend verbunden sind, dass die Nano-Röhrchen (2N) alle gleich lang und berührungsfrei voneinander entfernt installiert sind, dass die Längsachsen der Nano-Röhrchen (2N) senkrecht zur Oberfläche der Elektrode (2E) ausgerichtet sind, dass die Elektrode (2E) rundum von einer Isolation (2Z) umgeben ist, durch welche die Nano-Röhrchen (2N) und eine Signalleitung (5) hindurchgeführt sind, die mit der Elektrode (2E) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Sensoreinheit (2) an die geometrische Form der Innenfläche einer jeden Rohrleitung (10) anpassbar ist, auf der die Sensoreinheit (2) unmittelbar oder in einer Ausnehmung (11) derselben installiert ist, dass die Nano-Röhrchen (2N) über die gesamte Länge in den Innenbereich der Rohrleitung (10) ragen und ihre Längsachsen senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums (12) ausgerichtet sind, und dass die Signalleitung (5) mit einem Netzwerkanalysator (3) in Verbindung steht, dem ein Datenprozessor (4) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Anzahl von Nano-Röhrchen (2N) zu einem Bündel (2B) zusammengefasst ist, das jedes Bündel (2B) an einem ersten Ende mit einem elektrischen Kontaktelement (2K) versehen ist, mit dem alle Nano-Röhrchen (2N) des Bündels (2B) elektrisch leitend verbunden sind, dass die Bündel (2B) in einem definierten Abstand von einander über die elektrischen Kontaktelemente (2K) und zusätzliche Isolationselemente (2S) auf der Innenfläche einer Rohrleitung (10) installiert sind, und dass jedes Kontaktelement (2K) über eine Signalleitung (5) mit einem außerhalb der Rohrleitung (10) angeordneten Multiplexer (6) in Verbindung steht, der an einen Netzwerkanalysator (4) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit (2) mit zwei Elektroden (2E) vorgesehen ist, die im Abstand voneinander auf einem Isolator (2Z) angeordnet und von einem Nanobauelement (2N) in Form eines Nano-Röhrchen oder einer Nano-Faser überbrückt sind, dass die Sensoreinheit (2) unmittelbar auf der Innenflächen einer Rohrleitung (10) oder in einer Ausnehmung derselben so installierbar ist, dass die Längsachse des Nanobauelements (2N) parallel zur Strömungsrichtung des Mediums (12) ausgerichtet ist, und dass die beiden Elektroden (2N) an eine Gleichspannungsquelle (7) angeschlossen sind, zu dem ein Strommessgerät (8) in Reihe geschaltet ist, dessen Signalausgang mit einem Datenprozessor (8D) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beliebig viele Sensoreinheiten (2) über die Innenfläche der Rohrleitung (10) verteilt und installiert sind.