DE4140572C2 - Verfahren zur Ermittlung der Durchflußmenge eines zeitweise als Ein- oder Zwei-Phasen-Strömung vorliegenden strömenden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Durchflußmenge eines zeitweise als Ein- oder Zwei- Phasen-Strömung vorliegenden strömenden Mediums. Die Schwierigkeit der mengenmäßigen Erfassung derartiger strömender Medium besteht darin, in demjenigen Stadium, in dem das Medium als Zwei-Phasen-Strömung vorliegt, mengenmäßig sowohl die Gasphase als auch die Flüssig­ phase zu erfassen, um anhand dieser Kenntnis die Ge­ samtdurchflußmenge zu ermitteln.

Die Ermittlung der Durchflußmenge eines Gases bei tie­ fen Temperaturen, bei denen das Gas verflüssigt ist, bereitet wegen der unter Umständen zeitweise herrschen­ den Zwei-Phasen-Strömung des Mediums Probleme. Während sich die Durchflußmenge sowohl bei gasförmigem als auch bei flüssigem strömenden Medium mit handelsüblichen Durchflußmessern zuverlässig ermitteln läßt, gilt diese Aussage lediglich in eingeschränktem Maße für Zwei- Phasen-Strömungen, in denen das strömende Medium zum Teil als Gas und zum Teil als Flüssigkeit vorliegt. Die Problematik soll anhand eines Beispiels erläutert wer­ den. Soll beispielsweise Flüssigwasserstoff aus einem Tank in einen Behälter abgefüllt werden, so wird der flüssige Wasserstoff zu Beginn des Befüllungsvorganges im Tankschlauch und im Behälter vergasen. Mit zunehmen­ der Dauer sinkt die Temperatur von Schlauch und Behäl­ ter, so daß sich in der zunächst einphasigen (Gas-) Strömung Tropfen aus verflüssigtem Wasserstoff bilden; jetzt liegt eine Zwei-Phasen-Strömung vor. Bei weiterer Abkühlung steigt der Mengenanteil an Flüssigkeit gegen­ über dem Gasanteil an, bis schließlich eine Flüssig­ keitsströmung vorliegt, die von einzelnen Gasblasen durchzogen ist. In der letzten Phase der Befüllung liegt ausschließlich noch Flüssigwasserstoff vor. Die qualitative und quantitative Erfassung der Zwei-Phasen- Strömung bereitet Probleme, weshalb die abgegebene Menge bisher nur relativ ungenau gemessen werden konn­ te.

In DE-OS 34 09 595 sind ein Verfahren und eine Einrich­ tung zum Erzeugen von Information bezüglich Diskonti­ nuitäten und Massendurchsatz beschrieben, die mit einem auf dem Dopplereffekt beruhenden System arbeiten. Hier­ bei werden von den Diskontinuitäten reflektierte Ultra­ schallimpulse in Frequenzspektren oder Approximationen von Frequenzspektren umgewandelt, aufgrund deren die Diskontinuitäten identifiziert und ihre Konzentration bestimmt werden können. In Kombination mit aus dem Dopplereffekt gewonnener Geschwindigkeitsinformation kann dann der Massenstrom oder -durchsatz ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich die Durchflußmenge eines sowohl in einer Phase (gasförmig oder flüssig) als auch in zwei Phasen vorliegenden strömenden Mediums exakter ermitteln läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Strömungsgeschwin­ digkeit, die Temperatur und der Druck des strömenden Mediums gemessen werden, und in das strömende Medium von einer Sendevorrichtung ausgesandte elektromagneti­ sche oder akustische Wellen eingespeist und von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden. Zwischen der Sen­ devorrichtung und der Empfangsvorrichtung strömt das mengenmäßig zu erfassende Medium. Anhand der Dauer der Zeitintervalle, für die die Empfangsvorrichtung die von der Sendevorrichtung ausgesandten Wellen empfängt bzw. nicht empfängt, und anhand der Anzahl dieser Zeitinter­ valle innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums wird der Anteil an Gasvolumen und/oder der Anteil an Flüssig­ keitsvolumen des strömenden Mediums ermittelt, wobei anhand dieser Volumenanteile und anhand mindestens einer größenmäßig sowohl für die Gasphase als auch für die Flüssigphase des strömenden Mediums bekannten Material­ konstante unter Berücksichtigung der Meßwerte für die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur und den Druck die entsprechende Materialkonstante für das strömende Medium ermittelt wird und aus dieser ermittelten Mate­ rialkonstante sowie den Meßwerten für die Strömungsge­ schwindigkeit, die Temperatur und den Druck die Durch­ flußmenge pro Zeiteinheit oder die innerhalb einer vor­ gegebenen Zeitspanne durchströmte Durchflußmenge ermit­ telt wird.

Nach der Erfindung wird das strömende Medium (die Strö­ mung) elektromagnetischen oder akustischen Wellen, also beispielsweise Licht oder Schallwellen, ausgesetzt, die von einer Sendevorrichtung ausgesandt, in die Strömung eingespeist und von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden. Die in die Strömung eingespeisten Licht- oder Schallwellen werden dazu verwendet, um zu erfassen, ob gegenwärtig eine (gasförmige oder flüssige) Ein-Phasen- Strömung oder eine Zwei-Phasen-Strömung vorliegt. Tref­ fen nämlich bei einer Gasströmung die von der Sendevor­ richtung ausgesandten Wellen auf einen Flüssigkeits­ tropfen (oder bei einer strömenden Flüssigkeit auf Gas­ blasen), wird die elektromagnetische bzw. akustische Welle infolge einer Totalreflexion nicht von der Empfangsvorrichtung empfangen. Anhand des von der Empfangsvorrichtung ausgegebenen Ausgangssignals kann erkannt werden, wie oft und für welche Zeitintervalle die Empfangsvorrichtung kein Signal bzw. ein Signal empfangen hat. Bei bekanntem Strömungsquerschnitt läßt sich anhand der Strömungsgeschwindigkeit, der Tempera­ tur und des Druckes die Größe einer Gasblase oder die Größe eines Flüssigkeitstropfens der Strömung ermit­ teln. Ferner werden die Zeitintervalle, für die die Empfangsvorrichtung ein Ausgangssignal ausgibt, und diejenigen Zeitintervalle, für die die Empfangsvorrich­ tung kein Ausgangssignal ausgibt, ins Verhältnis zuein­ ander gesetzt (bezogen auf einen vorgegebenen Zeit­ raum). Anhand einer Materialkonstante (beispielsweise anhand der Dichte), die sowohl für die Gasphase als auch für die Flüssigphase des Mediums in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck bekannt ist, läßt sich die dem Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit entsprechende resultierende Materialkonstante für das strömende Medium ermitteln. Anhand dieser Materialkonstante für die Zwei-Phasen-Strömung sowie der Meßwerte für die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur und den Druck kann (bei bekanntem Strömungsquerschnitt) die Durch­ flußmenge pro Zeiteinheit und, innerhalb einer vorge­ gebenen Zeitspanne, die abgegebene Durchflußmenge er­ mittelt werden.

Nach der Erfindung wird mittels elektromagnetischer oder akustischer (z. B. Ultraschall-)Wellen sowohl der Gasvolumenanteil als auch der Flüssigkeitsvolumenanteil eines strömenden Mediums ermittelt. Während die mengen- bzw. massenmäßige Erfassung der Flüssigkeit der Zwei- Phasen-Strömung wegen der vernachlässigbaren Tempera­ tur- und Druckabhängigkeit der Dichte des flüssigen Mediums relativ einfach ist, ergibt sich die Masse an gasförmigem Medium unter zusätzlicher Berücksichtigung der Temperatur und des Druckes innerhalb derjenigen Zeitintervalle, für die das Ausgangssignal der Empfangsvorrichtung anzeigt, daß das strömende Medium als Gasströmung vorliegt. Bei bekanntem Strömungsquer­ schnitt sind jetzt alle Größen gegeben, um entweder die Durchflußmenge pro Zeiteinheit oder die durchgeströmte Durchflußmenge innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne berechnen zu können.

Die Sende- und Empfangsvorrichtungen können in Strö­ mungsrichtung betrachtet auf einer Höhe angeordnet sein; das zu erfassende Medium durchströmt also den Raum zwischen der Sendevorrichtung und der Empfangsvor­ richtung. Alternativ können die beiden Vorrichtungen auch in Strömungsrichtung hintereinanderliegend ange­ ordnet sein; dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß bei bekannter Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und bei bekannter Frequenz der von der Sendevorrichtung ausge­ sandten Wellen anhand der Frequenzverschiebung des Empfangssignals der Empfängervorrichtung eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit gemacht werden kann. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt also unter Aus­ nutzung des Doppler-Effekts. Zur Erhöhung der Meßge­ nauigkeit der Strömungsgeschwindigkeit wird sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Sendevorrich­ tung jeweils eine Empfangsvorrichtung angeordnet; wäh­ rend das Empfangssignal der stromauf der Sendevorrich­ tung angeordneten Empfangsvorrichtung der Strömungsge­ schwindigkeit entsprechend zu niedrigeren Frequenzen verschoben ist, ist das Empfangssignal der stromab der Sendevorrichtung angeordneten Empfangsvorrichtung um einen der Strömungsgeschwindigkeit entsprechenden Wert zu höheren Frequenzen hin verschoben.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend noch­ mals kurz für das Beispiel erläutert werden, daß es sich bei der Materialkonstante um die Dichte des Mediums handelt. Die Dichte des strömenden Mediums ist, sofern das Medium ausschließlich in der Flüssigphase vorliegt, konstant und bekannt. In der Gasphase variiert die Dichte in Abhängigkeit von dem Druck und der Temperatur, wobei diese Abhängigkeiten grundsätz­ lich auch bekannt sind. Werden also, wie nach der Er­ findung vorgesehen, die Temperatur und der Druck des strömenden Mediums stets gemessen und wird ferner er­ kannt, daß ausschließlich die Gasphase vorliegt, so kann die Dichte des strömenden Gases ermittelt werden. Nach der Erfindung ist zur Ermittlung, ob gerade ein Zwei-Phasen-Gemisch vorliegt, vorgesehen, elektromagne­ tische oder akustische Wellen in das strömende Medium einzuspeisen und von einer Empfangsvorrichtung zu empfangen. Es werden aber nach der Erfindung nicht nur empfangene Signale meßtechnisch verarbeitet, sondern es wird darüber hinaus auch erfaßt, für welche Zeitinter­ valle innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums die Empfangsvorrichtung Signale empfängt und für welche Zeitintervalle sie kein Signal empfängt. Die Tatsache, daß kein Signal empfangen wird, ist darauf zurückzufüh­ ren, daß die Wellen längs ihres Ausbreitungsweges von der Sendevorrichtung zur Empfangsvorrichtung total­ reflektiert werden und demzufolge die Empfangsvorrich­ tung nicht erreichen. Durch die Auswertung der Zeit­ intervalle, innerhalb derer Signale empfangen werden, und der Zeitintervalle, innerhalb derer keine Signale empfangen werden, kann also der Anteil der Gasphase relativ zum Anteil der Flüssigphase ermittelt werden. Anhand des aufgrund von Temperatur und Druck bekannten auf die Gasphase entfallenden Anteils der Dichte und des auf die Flüssigphase anfallenden Anteils der Dichte kann ein Dichtewert ermittelt werden, der den Anteilen der Phasen entspricht. Unter Zuhilfenahme dieses Dichtewertes und der Geschwindigkeit kann bei bekannten Querschnittsflächen die Durchflußmenge pro Zeiteinheit oder die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne durch­ strömte Durchflußmenge ermittelt werden.

Vorteilhafterweise erfolgt die Druckmessung kapazitiv. Zu diesem Zweck ist die Temperaturabhängigkeit der Di­ elektrizitätszahl für das Medium in einem Speicher ab­ gelegt, wobei mehrere dieser Kurven für unterschied­ liche Drucke gespeichert sind. Bei der kapazitiven Mes­ sung des Drucks durchströmt das Medium zumindest teilweise einen Kondensator, dessen Kapazität gemessen wird. Anhand des Meßwerts für die Kapazität wird auf den Wert für die Dielektrizitätszahl geschlossen. Bei bekannter Tempera­ tur läßt sich der Wert für die Dielektrizitätszahl einer bestimmten Kurve der gespeicherter Kurvenschar zuordnen. Der zu dieser Kurve gehörende Druck ist dann gleich dem Druck der Strömung. Andere kapazitive Meßmethoden zur Ermittlung des Drucks, z. B. Meßmethoden, bei denen der Abstand der beiden Elektroden eines Kondensators in Ab­ hängigkeit von dem Druck variiert, sind einsetzbar.

Die Größe der Dielektrizitätszahl läßt sich aber auch bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur dazu ver­ wenden, um festzustellen, ob eine Ein-Phasen- oder eine Zwei-Phasen-Strömung vorliegt. Bei gasförmigem Medium variiert bei konstanter Temperatur die Dielektrizitäts­ zahl in Abhängigkeit von dem Strömungsdruck beträcht­ lich. Wegen der Inkompressibilität von Flüssigkeit kann diese Variation der Dielektrizitätszahl bei in der Flüs­ sigphase befindlichen Medien nicht festgestellt werden. Außerdem unterscheiden sich die Werte für die Dielektri­ zitätszahlen für ein und dasselbe Medium zwischen dessen Gasphase und dessen Flüssigphase um drei Größenordnungen und mehr. So beträgt beispielsweise die Dielektrizitäts­ zahl von Sauerstoff bei Normalbedingungen ca. 0,00027, während Flüssigwasserstoff eine Dielektrizitätszahl von ca. 1.0 aufweist. Bei Vorgabe eines Schwellwerts und Vergleich der "gemessenen" Dielektrizitätszahl mit dem Schwellwert läßt sich also ermitteln, ob eine Ein- Phasen- oder eine Zwei-Phasen-Strömung vorliegt, und bei einer Ein-Phasen-Strömung ermitteln, ob das strömende Medium gasförmig oder flüssig ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß an zwei voneinander beabstandeten Druckmeß­ stellen jeweils eine Druckmessung des strömenden Mediums erfolgt und daß anhand des Abstandes der Druckmeßstellen voneinander und der Zeitdifferenz, mit der an den beiden Meßpunkten Meßsignale mit gleicher oder im wesentlichen gleicher Charakteristik ausgegeben werden, die Geschwin­ digkeit der Strömung ermittelt wird. Die Strömungsge­ schwindigkeitsmessung erfolgt hierbei also anhand einer Laufzeitdifferenzmessung. Dabei wird angenommen, daß die Strömung zwischen den beiden Druckmeßstellen im wesent­ lichen laminar ist, so daß Druckschwankungen, die an der in Strömungsrichtung ersten Meßstelle erfaßt werden, im wesentlichen unverändert auch an der stromab liegenden zweiten Druckmeßstelle erfaßt werden können. Durch Mes­ sung der Zeitdifferenz kann bei bekanntem Abstand der Druckmeßstellen voneinander ausgesagt werden, wie schnell das Medium strömt.

Nachfolgend werden anhand der Figuren die einzelnen Ver­ fahrensschritte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultraschall und zum Ermitteln der Gas- und Flüssiganteile einer Strömung mittels Ultraschall,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Messen der Dielektrizitätszahl eines strömenden Mediums,

Fig. 3 Kurven, die für unterschiedliche Drucke die Tem­ peraturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl eines Mediums, in diesem Fall Wasserstoff, zeigen und

Fig. 4 das Meßprinzip zum Messen der Strömungsgeschwin­ digkeit durch Messung von Laufzeitdifferenzen.

In Fig. 1 ist die Meßanordnung zur Ermittlung der Strö­ mungsgeschwindigkeit durch Ultraschall und Doppler- Effekt dargestellt. In einer Leitung 10 strömt ein ein- oder zweiphasiges Medium in Richtung des Pfeils 12 mit der Geschwindigkeit v. Im Innern der Leitung 10 oder an dieser ist eine Ultraschall-Erzeugungsvorrichtung 14 angeordnet. Stromaufwärts der Ultraschall-Erzeugungs­ vorrichtung 14 ist eine erste Empfangsvorrichtung 16 angeordnet, während sich stromabwärts der Ultraschall- Erzeugungsvorrichtung 14 eine zweite Empfangsvorrichtung 18 befindet. Die Ultraschall-Erzeugungsvorrichtung 14 sendet Ultraschallwellen sowohl in Strömungsrichtung 12 als auch entgegengesetzt dazu aus. Diese Ultraschall­ wellen werden von beiden Empfangsvorrichtungen 16, 18 empfangen. Die von der Ultraschall-Erzeugungsvorrichtung 14 ausgesandten Ultraschallwellen haben die Frequenz f₀ und breiten sich in dem Medium mit der Schallgeschwin­ digkeit c aus. Während die stromauf der Ultraschall- Erzeugungsvorrichtung 14 angeordnete Empfangsvorrichtung 16 ein Signal mit einer Frequenz f₁ empfängt, die kleiner ist als die Frequenz der ausgesendeten Schall­ wellen, empfängt die stromab der Ultraschall-Erzeugungs­ vorrichtung 14 angeordnete Empfangsvorrichtung 18 ein Signal mit einer Frequenz f₂, die größer ist als die Frequenz f₀ der von der Ultraschall-Erzeugungsvorrich­ tung 14 ausgesandten Schallwellen. Die von den beiden Empfangsvorrichtung 16, 18 erzeugten Ausgangssignale werden Frequenzerkennungsschaltungen 20, 22 zugeführt; die Ausgangssignale dieser beiden Schaltungen repräsen­ tieren die beiden Frequenzen f₁ und f₂. Diese beiden Signale werden einer Auswerteeinheit 24 zugeführt. In der Auswerteeinheit 24 wird aus den beiden Eingangs­ signalen für die Frequenzen f₁ und f₂ ein die Strömungs­ geschwindigkeit v anzeigendes Ausgangssignal erzeugt.

Der Auswertung der Signale in der Auswerteeinheit 24 liegen folgende physikalische Gegebenheiten zugrunde. Zur Ermittlung der Geschwindigkeit v ist lediglich eines der beiden Frequenzsignale erforderlich; denn unabhängig davon, ob zur Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit v das Ausgangssignal der Empfangsvorrichtung 16 oder das­ jenige der Empfangsvorrichtung 18 verwendet wird, sollte sich stets der gleiche Wert ergeben. Bei Verwendung des Ausgangssignals der Empfangsvorrichtung 16 ergibt sich für die Strömungsgeschwindigkeit (hier mit v₁ bezeich­ net, da aus dem f₁-Signal erzeugt):

Für die Schallgeschwindigkeit v₂ unter Verwendung des von der Empfangsvorrichtung 18 aus gegebenen Frequenz­ signals (f₂-Signal) gilt:

Im Idealfall gilt

v₁ = v₂ = v (3)

Sofern v₁ ≠ v₂ ist, sollte zwischen den beiden ermittel­ ten Geschwindigkeiten v₁ und v₂ gemittelt werden.

Bei Überschallströmung empfängt ausschließlich die stromab der Sendevorrichtung 14 angeordnete Empfangsvor­ richtung 18 ein Signal. Am Ausgang der anderen Empfangs­ vorrichtung 16 liegt kein Signal an. Das ist ein eindeu­ tiges Indiz dafür, daß das Medium im Hyperschallbereich strömt und gasförmig ist. Werden statt Schallwellen elektromagnetische Wellen, z. B. Lichtwellen verwendet, kann dieses Phänomen nicht beobachtet werden.

Genaugenommen kann die oben beschriebene Strömungsge­ schwindigkeitsermittlung nur dann durchgeführt werden, wenn das strömende Medium als einphasige Strömung vor­ liegt (also gasförmig oder flüssig ist). Denn die Schallgeschwindigkeit im Gas ist unterschiedlich zu der­ jenigen in Flüssigkeit.

Der in Fig. 1 dargestellte Meßaufbau wird aber auch zu­ mindest teilweise dazu verwendet, um festzustellen, ob eine Ein-Phasen- oder Zwei-Phasen-Strömung in der Lei­ tung 10 vorliegt. Unterstellt den Fall, daß zunächst eine ausschließliche Gasströmung vorliegt, empfängt die Empfangsvorrichtung 18 fortwährend das von der Ultra­ schall-Erzeugungsvorrichtung 14 ausgesandte Signal (die Empfangsvorrichtung 16 wird für die hier beschriebenen Untersuchungen nicht benötigt). Sobald sich in der Strö­ mung Flüssigkeitstropfen bilden, beispielsweise weil die Temperatur der Leitung 10 sinkt, empfängt die Empfangs­ vorrichtung 18 dann kein Signal, wenn sich der Flüssig­ keitstropfen zwischen der Ultraschall-Erzeugungsvorrich­ tung 14 und der Empfangsvorrichtung 18 befindet. Die Ursache dafür liegt in der Totalreflexion an der Gas/ Flüssigkeitsgrenzschicht. Nach einer Pegelumsetzung in einer Pegelumsetzschaltung 26 nimmt das Ausgangssignal der Empfangsvorrichtung 18 den in Fig. 1 bei 28 darge­ stellten Verlauf an. Dieses Signal wird der Auswerte­ einheit 24 zugeführt. In der Auswerteeinheit 24 werden anhand des Signals mit dem bei 28 angedeuteten Verlauf diejenigen Zeitintervalle ermittelt, für die die Empfangsvorrichtung 18 kein Signal empfängt; alternativ oder zusätzlich werden auch diejenigen Zeitintervalle ermittelt, für die die Empfangsvorrichtung 18 ein Signal empfängt. Die Dauer eines Zeitintervalls, für die bei zunächst gasförmiger Strömung die Empfangsvorrichtung 18 kein Signal empfängt, läßt eine Aussage über die Größe des Flüssigkeitstropfens zu.

Anhand der Unterbrechungen des Ausgangssignals der Empfangsvorrichtung 18 lassen sich ferner die Gas- und Flüssiganteile des strömenden Mediums ermitteln. Anhand der sowohl für die Gasphase als auch für die Flüssig­ phase des Mediums bekannten Werten für die Dichte des Mediums lassen sich die Durchflußmengenanteile bestim­ men, die einerseits auf den Gasanteil und andererseits auf den Flüssiganteil im strömenden Medium entfallen. Zur Bestimmung der Gasmengen bzw. -massen sind noch der Druck und die Temperatur des strömenden Mediums heranzu­ ziehen. Da aus dem Zeitverlauf des von der Empfangsvor­ richtung 18 ausgesendeten Signals die Gas- und Flüssig­ anteile des strömenden Mediums bekannt sind, kann eine "mittlere Dichte" ermittelt werden, die zusammen mit den Volumina für das Gas und die Flüssigkeit die Durchfluß­ menge ergibt.

Ein gewisses Problem der Phasenermittlung anhand des Ausgangssignals der Empfangsvorrichtung 18 besteht noch darin, daß ohne weiteres nicht klar ist, ob die Unter­ brechung des Ausgangssignals der Empfangsvorrichtung 18 auf die Detektion eines Flüssigkeitstropfens in einer Gasströmung oder auf eine Gasblase in einer Flüssig­ keitsströmung zurückzuführen ist. Eine Aussage darüber kann erhalten werden, indem die Dielektrizitätszahl des strömenden Mediums "gemessen" wird. Dazu dient das Meß­ prinzip gemäß Fig. 2. Nach Fig. 2 befindet sich in dem in Richtung des Pfeils 12 strömenden Medium der Leitung 10 ein Kondensator 30, zwischen dessen beiden (Platten-) Elektroden 32 das Medium strömt. Je nach Zusammensetzung des Mediums, d. h. je nach Anteil von Gas- und Flüssig­ phasen, verändert sich die Kapazität, was durch Messung der Spannung (bei konstanter Ladung) ermittelt werden kann. Fig. 3 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Di­ elektrizitätszahl ε_r für Wasserstoff; jede Kurve stellt eine Isobare dar, der Druck ist also der Parameter für die in Fig. 3 dargestellte Kurvenschar. Diese Kurven­ schar ist in der Auswerteeinheit 34, der das Signal des Kondensators 30 zugeführt wird, abgespeichert. Ferner werden der Auswerteeinheit 34 der Druck p und die Tempe­ ratur T des strömenden Mediums zugeführt. Die Meßgeräte für diese beiden Größen sind in Fig. 2 der Übersicht­ lichkeit wegen nicht mit eingezeichnet. Anhand der Tem­ peratur und des Druckes kann aus der Kurvenschar gemäß Fig. 3 in der Auswerteeinheit 34 die Dielektrizitätszahl ermittelt werden. Wie man anhand des Verlaufs der Kurven in Fig. 3 erkennen kann, verändert sich der Wert für die Dielektrizitätszahl bei Temperaturen kleiner als 20 Kelvin auch in Abhängigkeit vom Druck nicht mehr wahrnehmbar. Vielmehr bleibt der Wert für die Dielektri­ zitätszahl bei einem Wert geringfügig größer als 1,0 konstant. Ergibt sich also aufgrund der Messung mit dem Meßaufbau gemäß Fig. 2 eine Dielektrizitätszahl um 1.0, kann die Aussage getroffen werden, daß das strömende Medium überwiegend als Flüssigkeit vorliegt; denn bei einer Dielektrizitätszahl für Wasserstoff von ca. 1.0 ist die Temperatur derart gering, daß der Wasserstoff verflüssigt ist. Unterbrechungen am Ausgang der Empfangsvorrichtung 18 nach Fig. 1 sind also auf Gas­ blasen zurückzuführen. Anhand des Wertes der Dielektri­ zitätszahl läßt sich also ermitteln, ob die Unter­ brechungen des Ausgangssignals der Empfangsvorrichtung 18 auf Flüssigkeitstropfen oder auf Gasblasen zurückzu­ führen sind. Liegt beispielsweise die Dielektrizitäts­ zahl im Bereich um 1/1000, kann aufgrund der Kurvenschar gemäß Fig. 3 gesagt werden, daß das Medium in der Gas­ phase strömt. Unterbrechungsintervalle am Ausgang der Empfangsvorrichtung 18 sind also jetzt auf Flüssigkeits­ tropfen zurückzuführen. Anhand des Wertes für die Di­ elektrizitätszahl läßt sich also das Unterbrechungs­ signal der Empfangsvorrichtung 18 zu der Phase der Strömung korrelieren.

Anhand von Fig. 4 soll noch kurz auf eine weitere Mög­ lichkeit der Geschwindigkeitsmessung des strömenden Mediums eingegangen werden. Im Abstand s sind - in Strö­ mungsrichtung (Pfeil 12) - hintereinanderliegende zwei Druckmeßstellen 36, 38 vorgesehen. Unter der Voraus­ setzung, daß die Strömung zwischen den beiden Meßstellen 36, 38 als näherungsweise laminar unterstellt werden kann, wird das Meßinstrument 40 an der in Strömungsrich­ tung 12 ersten Meßstelle 36 bei einer Druckschwankung ein dafür charakteristisches Signal ausgeben, das in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Meßpunkte und von der Geschwindigkeit der Strömung um eine bestimmte Zeit­ spanne versetzt vom Meßinstrument 42 des in Strömungs­ richtung 12 betrachtet zweiten Meßpunktes 38 ausgegeben wird. Beide Meßsignale werden in Vorverstärkern 44 vor­ verstärkt und auf eine Auswerteeinheit 46 gegeben. In der Auswerteeinheit 46 wird die Zeitdifferenz zwischen beiden Signalen ermittelt; die Auswerteeinheit 46 gibt ein Ausgabesignal aus, das die Geschwindigkeit des strö­ menden Mediums anzeigt, die bei bekanntem Abstand s an­ hand der gemessenen Zeitdifferenz berechnet wird.

Anhand der Figuren sind vorstehend drei Messungen am strömenden Medium erläutert worden, wobei jeder Meßauf­ bau über seine eigene Auswerteeinheit 24, 34 bzw. 46 ver­ fügt. Diese drei Auswerteeinheiten sind zu einer Ge­ samtauswerteeinheit zusammengefaßt, was in den Figuren jedoch aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung der Durchflußmenge eines zeitweise als Ein-Phasen- oder als Zwei-Phasen- Strömung vorliegenden Mediums, bei dem

• - die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur und der Druck des strömenden Mediums gemessen werden,
• - elektromagnetische oder akustische Wellen in das strömende Medium von einer Sendevorrichtung (14) eingespeist und von einer Empfangsvorrich­ tung (18) empfangen werden, wobei anhand der Dauer der Zeitintervalle, für die die Empfangs­ vorrichtung (18) die von der Sendevorrichtung (14) ausgesandten Wellen empfängt bzw. nicht empfängt, und der Anzahl dieser Zeitintervalle innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums der An­ teil an Gasvolumen und/oder der Anteil an Flüs­ sigkeitsvolumen des strömenden Mediums ermit­ telt wird bzw. werden, und
• - anhand dieser Volumenanteile und anhand min­ destens einer sowohl für die Gasphase als auch für die Flüssigphase des Mediums in Abhängig­ keit von der Temperatur und dem Druck bekannten Materialkonstante der für die Anteile der Phasen des strömenden Mediums entsprechende Wert ermittelt wird und aus diesem ermittelten Wert sowie dem Meßwert für die Geschwindigkeit die Durchflußmenge pro Zeiteinheit oder die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne durch­ strömte Durchflußmenge ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmessung durch Messung der Kapazität eines zumindest teilweise von dem strömenden Medium durchströmten Kondensators ermittelt wird, und zwar anhand des Meßwerts für die Kapazität und der Tem­ peratur, wobei die Temperaturabhängigkeiten der Dielektrizitätszahl für das Medium mit dem Druck als Parameter bekannt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei für das Medium bekannten Tempera­ turabhängigkeiten der Dielektrizitätszahl mit dem Druck als Parameter anhand der Meßwerte für die Temperatur und den Druck die Dielektrizitätszahl des strömenden Mediums ermittelt wird und daß an­ hand der Größe der so ermittelten Dielektrizitäts­ zahl ermittelt wird, ob eine Ein-Phasen- oder eine Zwei-Phasen-Strömung vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ein-Phasen-Strömung anhand der Größe der Dielektrizitätszahl die Art der Phase - gasför­ mig oder flüssig - ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei voneinander beabstande­ ten Druckmeßstellen (36, 38) jeweils eine Druckmes­ sung des strömenden Mediums erfolgt und daß anhand des Abstandes der Druckmeßstellen (36, 38) und der Zeitdifferenz, mit der an den beiden Druckmeßstel­ len (36, 38) Meßsignale mit gleicher oder im wesent­ lichen gleicher Charakteristik aufeinanderfolgend ausgegeben werden, die Geschwindigkeit der Strömung ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Frequenzverschiebung ermittelt wird, um die das von der Empfangsvorrichtung (18) empfangene Signal in seiner Frequenz gegenüber dem von der Sendevorrichtung (14) ausgesandten Signal abweicht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Empfangsvorrichtungen (16, 18) vorge­ sehen sind und daß zur Ermittlung der Strömungsge­ schwindigkeit zwischen den anhand der jeweiligen Empfangssignale ermittelten Werten für die Strö­ mungsgeschwindigkeit gemittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruchs 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (14) Licht aussendet und daß stromauf der Sendevorrichtung (14) eine weitere Empfangsvorrichtung (16) angeordnet ist und daß zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit zwischen den beiden anhand der jeweiligen Empfangssignale ermittelten Werten für die Strömungsgeschwindigkeit gemittelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (14) Schallwellen aussendet und stromauf und stromab der Sendevorrichtung (14) jeweils eine Empfangsvorrich­ tung (16, 18) angeordnet ist, wobei anhand des Um­ standes, daß ausschließlich die stromab gelegene Empfangsvorrichtung (18) ein Signal empfängt, er­ kannt wird, daß das Medium in der Gasphase vorliegt und mit Hyperschallgeschwindigkeit strömt.