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Die Erfindung bezieht sich auf eine Flussgeschwindigkeits-Messanordnung zur Ermittlung der Flussgeschwindigkeit einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in einer Flüssigkeitsleitung.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Flussgeschwindigkeits-Messanordnung für ein Prozess-Analysegerät für Wasser in einem Prozessbecken einer Kläranlage, wobei die Flussgeschwindigkeits-Messanordnung insbesondere in einer Förderleitung zwischen einem Probennahme-Element, das in einem Prozessbecken der Kläranlage in das Wasser eingetaucht ist, und der landseitigen Analyseeinheit angeordnet ist. Aus dem Wasser des Prozessbeckens wird durch eine Probenpumpe von dem Probennahme-Element eine Wasserprobe zu der landseitigen Analyseeinheit gepumpt. Als Probenpumpe wird in aller Regel eine peristaltische Pumpe verwendet, deren fluidischer Teil ein flexibler Schlauch ist, der bei Bedarf einfach ausgetauscht werden kann. Da der fluidische Teil der Probenpumpe elastisch und plastisch verformt wird, kann aus der Drehzahl der Probenpumpe nicht auf die geförderte Wassermenge geschlossen werden. Daher ist eine Flussgeschwindigkeits-Messung zwischen dem Probennahme-Element und der Analyseeinheit erforderlich, um beispielsweise sicherstellen zu können, dass in der Analyseeinheit stets eine frische Wasserprobe analysiert wird, und um eine bestehende oder eine drohende Verstopfung feststellen zu können.
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Bei der Förderung von mehr oder weniger ungeklärtem Abwasser wächst ständig eine Schmutzschicht an der Innenseite der Förderleitung. Dies erschwert bei vielen physikalischen Messverfahren die zuverlässige Bestimmung der Flussgeschwindigkeit des Wassers in der Förderleitung. Für derartige Anwendungen hat sich grundsätzlich eine Laufzeitmessung mit Luftblaseninjektion bewährt, wobei die Luftblasen optisch bzw. fotometrisch erfasst werden. Allerdings verschlechtert sich auch hierbei mit wachsender Schmutzschicht das Nutzsignal erheblich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schmutzschicht-tolerantere Flussgeschwindigkeits-Messanordnung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Flussgeschwindigkeits-Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Flussgeschwindigkeits-Messanordnung ermittelt die Anwesenheit einer oder mehrerer injizierter Luftblasen nicht optisch, sondern konduktiv. Voraussetzung hierfür ist, dass die Flüssigkeit elektrisch leitfähig ist, was bei Wasser bzw. Abwasser in einer Kläranlage der Fall ist. Die Messanordnung weist einen Luftblasen-Einspeiser zum Einspeisen einer Luftblase oder mehrerer Luftblasen in einen Wasserproben-Flüssigkeitsstrom auf. Stromabwärts des Luftblasen-Einspeisers sind zwei separate elektrische Leitfähigkeits-Messzellen angeordnet, zwischen denen eine fluidische Messleitung angeordnet ist, die eine definierte und bekannte Länge aufweist. Die erste elektrische Leitfähigkeits-Messzelle ist also stromabwärts des Luftblasen-Einspeisers und stromaufwärts der Messleitung angeordnet, wohingegen die zweite elektrische Leitfähigkeits-Messzelle stromabwärts der Messleitung angeordnet ist. Die beiden Messzellen begrenzen die Messleitung. Wenn eine Luftblase die Messzelle passiert, verringert sich die gemessene Leitfähigtkeit massiv, solange die Luftblase sich zwischen den beiden Elektroden der Messzelle befindet. Hierdurch wird ein zeitliches Leitfähigkeits-Muster generiert.
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Die Leitfähigkeits-Messzelle kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, misst jedoch die elektrische Leitfähigkeit Messleitung vorzugsweise in der fluidischen Fluss- bzw. Strömungsrichtung, also in der Längsrichtung, nicht in der Querrichtung.
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Die Messanordnung weist ferner eine Auswerteeinheit auf, die anhand der zeitlichen Verläufe der Leitfähigkeits-Messergebnisse der beiden Messzellen die Flussgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Messleitung bestimmt. Die Auswerteeinheit ist hierzu mit den beiden Messzellen über eine Signalverbindung informell verbunden. Die Auswerteeinheit zeichnet nach der Luftblasen-Injizierung beispielsweise das zeitliche Leitfähigkeits-Muster in der ersten Leitfähigkeits-Messzelle und in der zweiten Leitfähigkeits-Messzelle auf, vergleicht diese Muster miteinander, und bestimmt bei ausreichender Übereinstimmung der beiden Muster die Laufzeit zwischen den beiden Leitfähigkeits-Messzellen. Da die fluidische Länge der steifen und volumenstabilen Messleitung zwischen den beiden Leitfähigkeits-Messzellen bekannt ist, errechnet die Auswerteeinheit hieraus schließlich die Flussgeschwindigkeit in der Messleitung bzw. die Flussmenge der Flüssigkeit.
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Versuche haben ergeben, dass eine sehr dicke Schmutzschicht auf der Innenwand der Messzellen-Messstrecke in Längsrichtung zwischen den beiden Leitfähigkeit-Messzellen einen typischen elektrischen Widerstand in der Größenordnung von 50 kOhm aufweist. Der elektrische Widerstand des Fluides innerhalb der Messleitung ist elektrisch parallel angeordnet zu dem Schmutzschicht-Widerstand und liegt für Wasser ungefähr in derselben Größenordnung wie für die Schmutzschicht, sodass sich hieraus bei Abwesenheit einer Luftblase ein Gesamtwiderstand von ca. 25 kOhm ergibt. Falls sich eine Luftblase in der Messstrecke befindet, die den gesamten freien Durchmesser innerhalb der Messleitung nahezu vollständig ausfüllt, kann beispielsweise mit einem elektrischen fluidischen Widerstand in Längsrichtung der Messleitung von über 1000 kOhm gerechnet werden, sodass sich hieraus ein elektrischer Gesamtwiderstand von annähernd 50 kOhm ergibt. Selbst bei einer dicken Schmutzschicht innerhalb der Messleitung kann also eine Luftblase mit sehr hoher Zuverlässigkeit detektiert werden. Im Ergebnis wird auf diese Weise mit einfachen und preiswerten Mitteln eine Schmutzschicht-tolerante Flussgeschwindigkeits-Messanordnung geschaffen.
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Die elektrische Leitfähigkeit ist der Kehrwert des elektrischen Widerstandes, und ist im technischen Sinn vorliegend als Synonym zu verstehen.
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Vorzugsweise weist jede Leitfähigkeits-Messzelle jeweils sowohl eine erste Elektrode als auch eine zweite Elektrode auf, wobei die beiden Elektroden der Messzelle durch eine Messzellen-Messstrecke in Strömungsrichtung bzw. in Flussrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, sodass die Leitfähigkeit der Flüssigkeit innerhalb der Messzellen-Messstrecke in Flussrichtung ermittelt wird. Zwischen den beiden Elektroden wird der elektrische Widerstand in Längsrichtung, also in der fluidischen Flussrichtung gemessen. Der Abstand der beiden Elektroden voneinander sollte ein Mehrfaches eines typischen Luftblasen-Durchmessers betragen.
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Besonders bevorzugt sind die beiden Elektroden einer Leitfähigkeits-Messzelle jeweils als ringförmige Ringelektrodenkörper ausgebildet. Hierdurch wird unter anderem sichergestellt, dass bei Anwesenheit einer Schmutzschicht in der Messzelle der elektrische Widerstand zwischen der Elektrode und dem Fluid innerhalb der Messzelle relativ klein ist.
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Grundsätzlich kann der Luftblasen-Einspeiser selbstständig agieren, also beispielsweise in regelmäßigen Abständen eine oder mehrere Luftblasen in den Flüssigkeitsstrom einspeisen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung steuert die Auswerteeinheit den Luftblasen-Einspeiser aktiv. Auf diese Weise kann die Auswerteeinheit beispielsweise die Messhäufigkeit bzw. die Messfrequenz selbsttätig bestimmen. Ferner kann die Auswerteeinheit auch abhängig von sekundären Parametern die jeweils eingespeiste Luftmenge steuern. Auf diese Weise kann ein adaptives Messregime realisiert werden.
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Vorzugsweise wird die Messzellen-Messstrecke von einer steifen und elektrisch nicht-leitenden Messzellen-Leitung gebildet. Ihre Länge kann mindestens das Zehnfache ihres Innendurchmessers betragen, beispielsweise einen Innendurchmesser von ca. 1,8 mm und eine Länge von ca. 25 mm aufweisen. Der Innendurchmesser sollte so gewählt werden, dass dieser nicht größer als ein typischer Luftblasen-Durchmesser in Wasser ist, sollte also maximal wenige Millimeter betragen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit einen Messsignal-Generator auf, der eine Messspannung erzeugt, deren Spitzenspannung unter der typischen Elektrolysespannung von Wasser liegt. Die Elektrolysespannung von Wasser liegt zwischen 1,0 V und 2,0 V. Die Spitzenspannung der Messspannung sollte also vorzugsweise unter 2,0 V liegen.
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Besonders bevorzugt generiert der Messsignal-Generator als Messspannung eine symmetrische Wechselspannung, die vorzugsweise eine Frequenz zwischen 500 Hz und 100 kHz aufweist. Die erste Elektrode ist mit dem Messsignal-Generator verbunden, die zweite Elektrode ist mit einem Empfänger verbunden, oder umgekehrt.
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Die Eingangsimpedanz des Empfängers kann durch eine Anpassung der Wechselspannungs-Frequenz und ein kapazitives Element am Eingang des Empfängers an die typische Leitfähigkeit der Wasserproben angepasst werden. Wenn sich eine Luftblase in der Messzellen-Messstrecke befindet, ändert sich die Impedanz zwischen den beiden Elektroden der Messzelle, was durch die Elektroden detektiert wird.
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Vorzugsweise weist die Auswerteeinheit einen Verschmutzungs-Ermittler auf, der aus dem Verhältnis der Messzellen-Messsignale mit einer Luftblase einerseits und ohne eine Luftblase andererseits einen Verschmutzungsgrad der Messzellen-Messstrecke ermittelt und ausgibt. Mit der Verschmutzungsgrad-Information können beispielsweise Reinigungszyklen oder Wartungshinweise ausgelöst werden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Flussgeschwindigkeits-Messanordnung einschließlich zweier Leitfähigkeits-Messzellen, die der Probennahme einer Wasserprobe für ein Prozess-Analysegerät dient, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Leitfähigkeits-Messzelle der Flussgeschwindigkeits-Messanordnung der 1.
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In der 1 ist schematisch eine Flussgeschwindigkeits-Messanordnung 10 dargestellt, die beispielsweise in einer Kläranlage der Probennahme aus einem Prozessbecken 90 für eine landseitige Prozess-Analyseeinheit 100 dient.
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Eine Wasserprobe des Klärwassers 91 aus dem Prozessbecken 90 wird durch einen getauchten Probenfilter 92 hindurch durch eine Probenpumpe 80 zu der Prozess-Analyseeinheit 100 gepumpt. Die Probenpumpe 80 ist eine peristaltische Pumpe, sodass der gesamte fluidische Teil der Probenpumpe 80 bei Bedarf einfach ausgetauscht werden kann. Fluidisch zwischen der Probenpumpe 80 und der Prozess-Analyseeinheit 100 ist ein konduktives Flussgeschwindigkeits-Messmodul 10' angeordnet, das mit Hilfe injizierter Luftblasen 14 über eine steife und volumenkonstante Messleitung 40 mit einer definierten Messleitungs-Länge X durch eine Laufzeitmessung die Flussgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Messleitung 40 bestimmt.
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Fluidisch zwischen dem Probenfilter 92 und der Probenpumpe 80 ist als Luftblasen-Einspeiser 82 ein Dreiwege-Ventil 82' angeordnet, das den Ventilauslass wahlweise fluidisch mit der von dem Probenfilter 92 kommenden Leitung oder der Umgebungsluft verbindet. Der Luftblasen-Einspeiser 82 wird durch eine Auswerteeinheit 20 des Flussgeschwindigkeits-Messmoduls 10' gesteuert.
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Von der peristaltischen Probenpumpe 80 aus fließt die Wasserprobe durch eine Zuleitung 12 in das Flussgeschwindigkeits-Messmodul 10', das im Wesentlichen aus der elektronischen Auswerteeinheit 20, der ersten elektrischen Leitfähigkeits-Messzelle 30, der Messleitung 40 und der zweiten elektrischen Leitfähigkeit-Messzelle 30' besteht, die strukturell identisch ist mit der ersten Leitfähigkeits-Meßzelle 30. Die Auswerteeinheit 20 weist für jede Leitfähigkeits-Meßzelle 30,30' jeweils ein eigenes Messelektronik-Modul 26,26' auf, das jeweils einen Messsignal-Generator 22 und einen Messsignal-Empfänger 24 aufweist.
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Eine Leitfähigkeits-Messzelle 30 ist in der 2 exemplarisch dargestellt. Die Leitfähigkeits-Meßzelle 30 weist stromaufwärts einer Messzellen-Messstrecke 36 eine erste Elektrode 32 und stromabwärts der Messzellen-Messstrecke 36 eine zweite Elektrode 34 auf. Die beiden Elektroden 32,34 sind vorliegend als ringförmige Ringelektrodenkörper 32',34' ausgebildet, die aus elektrisch leitfähigem Edelstahl bestehen und die mit ihren zylindrischen Innenumfangsflächen jeweils einen sehr kurzen Abschnitt des Flusskanals bilden, also mit ihrer gesamten Innenumfangsfläche mit der Flüssigkeitsprobe in elektrischem Kontakt stehen.
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Die Messzellen-Messstrecke 36 wird von einer elektrisch nicht-leitenden und steifen Messzellen-Leitung 36' aus Kunststoff gebildet, die vorliegend einen Innendurchmesser D von ungefähr 1,8 mm und eine Länge von ungefähr 25,0 mm aufweist. Die steife Messleitung 40 zwischen den beiden Leitfähigkeits-Meßzellen 30,30' besteht aus einem Leitungskörper 40', der ebenfalls einen (identischen) Innendurchmesser von 1,8 mm und eine Länge X von beispielsweise 250 mm aufweist.
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An der Innenseite der gesamten in der 2 dargestellten Fluidleitung hat sich vorliegend exemplarisch eine geschlossene Schmutzschicht 15 gebildet, die auch die Innenumfangsflächen der beiden Elektroden 32,34 bedeckt und die damit grundsätzlich die Leitfähigkeits-Messung erschwert. In dem freien Lumen der Leitfähigkeits-Meßzelle 30 fließt die Wasserprobe 13, die vorliegend von einer Luftblase 14 unterbrochen ist. Der Durchmesser der Luftblase 14 entspricht in der Regel dem Innendurchmesser D bzw. dem freien Lumen der Messzellen-Leitung 36'.
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Eine Flussgeschwindigkeits-Messung wird durch die Auswerteeinheit 20 initiiert, indem diese das Luftblasen-Einspeise-Dreiwege-Ventil 82' so ansteuert, dass eine oder mehrere Luftblasen in die vorbeifließende Wasserprobe eingeleitet wird bzw. werden. Die Probenpumpe 80 läuft dabei kontinuierlich mit annähernd konstanter Drehzahl.
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Der Messsignal-Generator 22 generiert als Messspannung eine symmetrische Wechselspannung mit einer Wechselspannungs-Frequenz von beispielsweise 10 kHz und einer Spitzenspannung von maximal 1,5 V, die unterhalb der spezifischen Elektrolysespannung von Wasser liegt. Die Messspannung wird über die erste Elektrode 32 in die Messzellen-Messstrecke 36 eingespeist. Die zweite Elektrode 34 ist mit dem Empfänger 24 elektrisch verbunden, der eine Eingangsimpedanz aufweist, die durch eine entsprechende Justierung der Wechselspannungs-Frequenz und ein kapazitives Element am Eingang des Empfängers 24 an die typische Leitfähigkeit der Wasserprobe angepasst ist. Bei Hindurchtritt einer Mess-Luftblase 14 ändert sich die gemessene Impedanz deutlich, sodass dies das Startsignal bzw. das Endsignal für die Laufzeitmessung darstellt. Es wird also aus den zeitlichen Verläufen der Leitfähigkeits-Messergebnisse der beiden Messzellen 30,30' bzw. aus dem zeitlichen Abstand der Luftblasen-bedingten Leitfähigkeits-Sprünge zueinander die Laufzeit der Mess-Luftblase 14 zwischen den beiden Leitfähigkeits-Meßzellen 30,30' ermittelt. Während eines Messzyklus generiert der Messsignal-Generator 22 kontinuierlich seine symmetrische Wechselspannung, die kontinuierlich von dem Empfänger 24 empfangen wird.
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Die Auswerteeinheit 20 errechnet aus der Länge X der Messleitung 40 und der ermittelten Laufzeit die Flussgeschwindigkeit bzw. die volumetrische Flussrate der Flüssigkeit bzw. der Wasserprobe zwischen dem Probenfilter 92 und der Analyseeinheit 100.
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Die Auswerteeinheit 20 weist einen Verschmutzungs-Ermittler 27 auf, der aus dem Verhältnis der ermittelten und gespeicherten Zellen-Messsignale mit einer Luftblase 14 einerseits und ohne eine Luftblase andererseits einen Verschmutzungsgrad der Messzellen-Messstrecke 36 ermittelt und an eine Gerätesteuerung ausgibt. Je größer das ermittelte Messsignal-Verhältnis ist, desto größer ist der Verschmutzungsgrad.
