DE3934022A1 - Durchflussviskosimeter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchflußviskosimeter zur Bestimmung der Viskosität eines im Inneren einer Rohrleitung befindlichen Fluides.

Kernstück des Viskosimeters ist ein zu Longitudinal- oder Torsionsschwingungen angeregtes Rohr, das in die bestehende Rohrleitung integriert werden kann, und dessen Schwingungen empfangen und ausgewertet werden. Die durch das zu untersuchende Fluid verursachten Änderungen der Schwingungsparameter des Rohres gestatten Rückschlüsse auf die Fluideigenschaften, insbesondere die Viskosität.

Es ist bekannt, daß man die Viskosität strömender Fluide durch eine Differenzdruckmessung bestimmen kann. Beispiele hierfür sind das Kapillarviskosimeter oder den Prozeßeigenschaften angepaßte Düsen. Diesen Einrichtungen ist gemeinsam, daß der Meßeffekt an das Vorhandensein eines Durchsatzes gebunden ist.

Es ist ferner bekannt, daß Rotationsviskosimeter nach dem Searle- Prinzip für Messungen von in Rohrleitungen kontinuierlich strömenden Fluiden ausgerüstet werden können. Abgesehen davon, daß das Rotationsviskosimeter eine zwar genaue, aber technisch realtiv aufwendige Apparatur ist, benötigt es grundsätzlich ein Element zur Übertragung des außerhalb der Meßzelle erzeugten Antriebsmomentes auf den innerhalb der Meßzelle befindlichen Rotationskörper.

Weiterhin sind Meßeinrichtungen bekannt, bei denen starre oder elastische Körper zu Schwingungen angeregt werden und durch Messung der Schwingungsparameter auf rheologische Eigenschaften von Fluiden geschlossen wird, so z. B. aus der Offenlegungsschrift DE 32 01 724 A1 ein Ultraschall-Viskosimeter mit Torsionsresonator oder aus DE 35 14 679 A1 eine vielseitig einsetzbare Einrichtung zur Bestimmung der Schwingungsparameter eines longitudinal schwingenden Bandes sowie aus der Praxis weitere Apparaturen. Diesen Meßeinrichtungen ist gemeinsam, daß die zur Messung dienenden Schwingkörper in das Fluid eingetaucht werden und somit in das Innere einer Rohrleitung eingebaut werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Viskosimeter zu schaffen, das einerseits die Vorteile schwingender Sensoren hinsichtlich Übertragbarkeit und Verarbeitbarkeit der Meßsignale nutzt, andererseits in eine Rohrleitung integriert werden kann, ohne die Fluiddynamik des Rohres durch Einbauten zu stören, und das außerdem robust und einfach herzustellen ist.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht mit einer Anordnung, die in den Kennzeichen der Ansprüche 1 bis 17 genannte Merkmale aufweist.

Wie sich durch Versuch gezeigt hat, kann das gemäß Anspruch 1 zu Schwingungen angeregte Rohr infolge der an seinen Enden angebrachten massiven Körper näherungsweise als eindimensionales schwingendes Kontinuum mit beidseitig festen Enden angesehen werden. Dieses wird durch eine lineare partielle dgl. zweiter Ordnung (bei Berücksichtigung der inneren Dämpfung des Rohrmaterials dritter Ordnung), mit beliebigen Anfangsbedingungen und zwei Randbedingungen beschrieben. Es ergeben sich die Eigenfrequenzen

k = 1, 2, . . .
c = Dehnwellengeschwindigkeit in der Rohrwand
l = Rohrlänge
ω = Kreisfrequenz

Die Näherung gilt entsprechend den Abmessungen der Anordnung für diejenigen Moden, deren Frequenzen kleiner als eine Grenzfrequenz ist, die um mehr als die doppelte Halbwertsbreite unter der ersten Eigenfrequenz des Massivkörpers liegt, der, wie gegebenenfalls durch Versuch bestätigt, näherungsweise als einseitig festes eindimensionales Kontinuum angesehen werden kann.

Ein gemäß Anspruch 2 verwendeter Aktuator ist bei erfindungsgemäßer Konstruktion der Rohrgeometrie angepaßt und aufgrund seiner gegenüber der Rohrlänge vernachlässigbaren Längsabmessung durch Angabe einer inhomogenen Randbedingung hinreichend beschrieben, auch wenn seine Steifigkeit und Dichte von den entsprechenden Materialeigenschaften des Rohres abweichen. Dies gilt auch, wenn gemäß Anspruch 7 mehrere Aktuatoren in Reihe geschaltet werden.

Für harmonische Anregung erhält man eine über die Rohrlänge harmonische Verteilung der Schwingungsamplituden der einzelnen Massenpunkte. So bildet sich beispielsweise bei Erregung der ersten Eigenfrequenz eine stehende Welle mit einem Schwingungsbauch in der Rohrmitte und Knoten an den Rohrenden aus, wobei die Wellenlänge der doppelten Rohrlänge entspricht. Da das im Rohr strömende Fluid an der Wand haftet, überträgt sich deren Bewegung auf das Fluid, wo sich Schubwellen ausbilden. Diese entziehen dem schwingenden Rohr Energie, was gemäß Anspruch 3 und 4 zu meßbaren Veränderungen der Schwingungsparameter führt. Dies ist gemäß Anspruch 6 auch dann der Fall, wenn sich das Fluid in Ruhe befindet und die innere Dämpfung des Fluides die des Rohrmaterials deutlich übertrifft.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung tritt unterhalb der genannten ersten Eigenfrequenz eine Resonanzstelle auf, die näherungsweise durch ein diskretes Feder-Masse-System dargestellt wird, wobei die Federeigenschaft der Steifigkeit des Rohres allein und die Masseneigenschaft den Gegenkörpern zugeordnet werden kann. Diese Resonanzstelle kommt für die Viskositätsmessung nicht in Betracht, da ihre Parameter sehr stark von der Ankopplung des Viskosimeters an die Rohrleitung abhängen. Der Einfluß dieser Resonanzstelle auf den Amplituden- und Phaseneingang in den für die Messung ausgenutzten Frequenzbereichen war daher zu unterdrücken. Dies wird erfindungsgemäß durch Wahl geeigneter Längenverhältnisse von Rohr- und Gegenkörper erreicht.

Zur Messung des Empfangssignals sind alle in Anspruch 2 genannten Aktuatoren brauchbar, da die Umkehrungen der für die Erregung eingesetzten physikalischen Effekte in den genannten Fällen eine dynamische Kraftmessung mit hinreichender Genauigkeit gestatten. Dabei kann man die hinsichtlich der Nutzung als Sender bzw. Empfänger jeweils optimalen Materialeigenschaften der Aktuatoren wählen.

Insbesondere bei piezoelektrischen Aktuatoren hat sich eine Kapselung des Senders bzw. Empfängers zum Schutz gegen Feuchtigkeit als notwendig herausgestellt. Dies wird gemäß Anspruch 11 erreicht durch die in Bild 1 dargestellten Lösungen, wobei gemäß Anspruch 8 die in der Nähe der Aktuatoren ohnehin kleinen Wegamplituden durch die in Bild 2 dargestellte konstruktive Maßnahme zusätzlich verkleinert werden können.

Abweichungen der gemessenen Eigenfrequenzen von den sich aus den oben beschriebenen Modellvorstellungen ableitbaren theoretischen Werten sind vor allem durch Verlagerung der beiden äußeren Knotenpunkte hinter den geometrischen Ort des Querschnittsprungs bedingt. Dort wird der Impuls voll auf den massiven Gegenkörper übertragen, jedoch aufgrund des wesentlich größeren Querschnitts in vernachlässigbar kleine Schnelleamplituden umgesetzt (Dämmwirkung eines Querschnittsprungs). Dies kann gemäß Anspruch 9 eine Befestigung des Viskosimeters ermöglichen, ohne daß es dabei zu störenden Veränderungen der übrigen Schwingungsparameter kommt. Da sich der Impuls an einem Querschnittsprung erst nach einer gewissen Übergangsstrecke über den größeren Querschnitt verteilt hat, existieren die in Bild 3 gekennzeichneten Zonen, in denen eine Verformung und somit eine Bewegung der Massenpunkte praktisch nicht mehr gegeben ist, so daß ein gemäß Anspruch 10 verwendeter O-Ring vorzugsweise hier angebracht werden kann, ohne daß Dämpfungsparameter unzulässig vergrößert werden oder deren Schwankungen die Meßgenauigkeit deutlich herabsetzen.

Die in Anspruch 11 genannten stoffschlüssigen Fügetechniken gewährleisten erfindungsgemäß das Schwingungsverhalten und den mechanischen Verbund der Anordnung ohne Vorspannkräfte.

Eine im Anspruch 11 beschriebene kraftschlüssige Verbindung ist in Bild 3 dargestellt. Die Querschnittsfläche des Rohres ist klein gegenüber der Auflagefläche des Aktuators. Der im Nebenschluß abgeführte Impuls ist somit vernachlässigbar. Diese Verbindung eignet sich besonders für leitende Flüssigkeiten auch bei Verwendung metallischer Rohre in Verbindung mit der in Anspruch 13 beschriebenen Leitungsführung.

Mit der Verwendung von Tellerfedern zwischen Mutter und Gegenkörper ist gemäß Anspruch 14 eine konstante Vorspannkraft auch dann gegeben, wenn die Isolierung zwischen Mutter- und Gegenkörper aus mit der Zeit nachgebendem Material besteht.

Eine in Anspruch 16 und 17 beschriebene Thermostatisierung gelingt mit der in Bild 3 dargestellten Anordnung. Die Thermostatisierungsflüssigkeit bedingt systematische Abweichungen der Schwingungstemperatur des Rohres gegenüber dem unbenetzten Zustand. Bei geeigneten Flüssigkeiten sind diese Abweichungen klein.

Die dem Rohr durch das zu untersuchende Fluid entzogene Schwingungsenergie ist von dessen Fließgeschwindigkeit abhängig, was gemäß Anspruch 15 zu deren Messung ausgenutzt werden kann.

Gemäß Anspruch 18 kann das Viskosimeter zur Bestimmung der Viskosität und darüber hinaus weiterer Fluidparameter eingesetzt werden, sofern der Zusammenhang mit den Schwingungsparametern der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung empirisch ermittelt wurde.

Claims (18)

1. Viskosimeter zur Messung der Viskosität von Fluiden, die im Rahmen eines Produktionsprozesses oder einer technischen oder wissenschaftlichen Untersuchung kontinuierlich oder in Zeitintervallen in einer Rohrleitung fließen, unter Ausnutzung der Rückwirkung des mit einem Schwinger in Kontakt stehenden Fluides auf Parameter des Schwingers dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger als Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, das von dem Fluid durchflossen wird.

2. Viskosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung des als Schwinger dienenden Rohres ringförmige piezoelektrische, magnetostriktive oder elektromechanische Aktuatoren an dessen Enden vorgesehen sind, die sich gegen massive Gegenkörper abstützen, so daß die im Rohr laufenden Schallwellen dort praktisch vollständig reflektiert werden.

3. Viskosimeter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen des Rohres longitudinal verlaufen, wodurch sich in der Grenzschicht des Fluids ein Schergefälle mit sinusförmigem Amplitudenverlauf in Richtung der Rohrachse ausbildet und die hierbei entstehende Schubkraft meßbare Veränderungen der Schwingungsparameter hervorruft.

4. Viskosimeter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren den Schwinger zu Torsionsschwingungen anregen, die sich dem Fluid mitteilen und ein zirkulares Schergefälle erzeugen, dessen Rückwirkung auf das Rohr dessen Schwingungsparameter meßbar ändert.

5. Viskosimeter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung verschiedene Schwingungsmethoden des Rohres angeregt werden können.

6. Viskosimeter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid sich während der Messung in Ruhe befinden kann.

7. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden mehrere Aktuatoren in Reihe geschaltet werden.

8. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohres an den Enden allmählich zunimmt und auf diese Weise die Schnelleamplitude in der verstärkten Zone zusätzlich herabgesetzt wird.

9. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befestigung der endständigen Massen am Rahmen der Einrichtung in Zonen vorgenommen wird, bei denen die ortsabhängige Schnelleamplitude vernachlässigbar klein ist, so daß möglichst keine Schwingungsenergie in den Rahmen abfließt.

10. Viskosimeter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigungsmittel ein Dichtring aus elastischem Kunststoff, z. B. ein O-Ring aus Perbunan, verwendet wird, der eine kraftschlüssige Verbindung mit einer ring- oder rohrförmigen Halterung herstellt und gegebenenfalls gleichzeitig Dichtungsfunktion hat.

11. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren durch verlötete oder geklebte Membranen gegen Feuchtigkeit oder das Rohr von außen umspülendes Fluid abgedichtet werden, wobei die Verbindung zum Rohr in Zonen erfolgt, in denen die ortsabhängige Schnelleamplitude des Rohres vernachlässigbar klein ist, so daß dem Rohr über diese Verbindung möglichst keine Schwingungsenergie entzogen wird.

12. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Piezoelemente an Rohr und Masse durch leitenden oder nichtleitenden Klebstoff oder Weichlöten weit unterhalb der Curie-Temperatur erfolgt.

13. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Aktuatoren kraftschlüssig erfolgt, wobei die Vorspannkraft zentrisch und über den Umfang konstant durch eine dünnwandige rohrförmige Verbindung zu den endständigen Massen aufgebracht wird, die durch die Innenbohrung des Aktuators geführt sind oder diesen von außen umschließen.

14. Viskosimeter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung der Vorspannkraft Tellerfedern mit geeigneter Federkennlinie verwendet werden.

15. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei bekannten bzw. durch Messen bestimmten oder konstanten Fluideigenschaften der von der Fluidströmung im Inneren des Rohres mitgeführte Impuls die Schwingungsparameter des Rohres meßbar so verändert, daß hieraus auf den Durchfluß geschlossen werden kann.

16. Viskosimeter nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr von außen durch Umspülung mit Flüssigkeit thermostatisiert wird.

17. Viskosimeter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Thermostatisierung mit leitenden Flüssigkeiten die endständigen Massen durch Kunststoffüberzug von der Flüssigkeit isoliert werden.

18. Anwendung des Viskosimeters nach Anspruch 3 und 4 zur Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften eines bestimmten Fluides aus Messung von einem oder mehrerer Schwingungsparameter, wobei der Zusammenhang zwischen Fluid- und Schwingungsparametern für dieses Fluid zuvor empirisch ermittelt wurde.