WO2023148367A1 - Verfahren zum bestimmen des anteils einer dispersen gasphase in einem fluid - Google Patents

Verfahren zum bestimmen des anteils einer dispersen gasphase in einem fluid Download PDF

Info

Publication number
WO2023148367A1
WO2023148367A1 PCT/EP2023/052780 EP2023052780W WO2023148367A1 WO 2023148367 A1 WO2023148367 A1 WO 2023148367A1 EP 2023052780 W EP2023052780 W EP 2023052780W WO 2023148367 A1 WO2023148367 A1 WO 2023148367A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
time difference
flow
proportion
transit time
mean value
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052780
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maciej Bober
Original Assignee
Levitronix Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Levitronix Gmbh filed Critical Levitronix Gmbh
Publication of WO2023148367A1 publication Critical patent/WO2023148367A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/222—Constructional or flow details for analysing fluids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/449—Statistical methods not provided for in G01N29/4409, e.g. averaging, smoothing and interpolation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/024—Mixtures
    • G01N2291/02433—Gases in liquids, e.g. bubbles, foams
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/102—Number of transducers one emitter, one receiver

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the proportion of a disperse gas phase in a fluid flowing in a line in a direction of flow using ultrasound, a transit time difference between two measurement signals passing through the fluid in the line being determined using an ultrasonic measuring device.
  • non-invasive methods are used for examining fluids or for measuring fluids flowing in lines, for example a flexible plastic hose. This is particularly the case with such high-purity or very sensitive fluids where contact between the fluid and the measuring device should be avoided as much as possible, for example so that the fluid is not contaminated.
  • Examples include the pharmaceutical industry and the biotechnological industry. Solutions and suspensions are often produced and pumped here, which place very high demands on the purity and/or integrity of the fluid. Often such fluids must even be handled under sterile conditions.
  • Ultrasonic measurement technology in particular has proven itself as a non-invasive method for measuring fluids flowing in pipes.
  • Ultrasonic measuring devices for measuring a fluid flowing in a line are used, for example, to determine the flow of the fluid through a line. It is a known measure to design the measuring device as a clamping device in such a way that it can be clamped onto a flexible line or that the line can be separated from the measuring device is pinched.
  • the line with the fluid flowing in it is then subjected to ultrasonic signals. After passing through the line and the fluid, the ultrasonic signals are received by an ultrasonic transducer and the received signal is evaluated.
  • the ultrasonic measuring device comprises at least two ultrasonic transducers, which are arranged laterally on opposite sides of the line in the operating state.
  • the two ultrasonic transducers are arranged offset from one another with respect to the direction of flow of the fluid and are aligned such that the first ultrasonic transducer can receive a signal sent by the second ultrasonic transducer and the second ultrasonic transducer can receive a signal sent by the first ultrasonic transducer.
  • the two ultrasonic transducers are aligned in such a way that they each emit their ultrasonic signals at an angle to the flow direction of the fluid, with one ultrasonic transducer emitting the signal at an angle with the flow direction, while the other ultrasonic transducer emits the signal at an angle against the flow direction.
  • a measurement signal is now emitted with the first ultrasonic transducer, which is received by the second ultrasonic transducer, and then a measurement signal is emitted by the second ultrasonic transducer, which is emitted by the first ultrasonic transducer.
  • the measuring signal transmitted obliquely in the direction of flow is accelerated in the flow and the measuring signal transmitted obliquely against the direction of flow is decelerated by the flow.
  • the difference in transit time between the two measurement signals is proportional to the flow velocity of the fluid, so that the flow through the flexible line can be determined from this difference in transit time.
  • the amplitude or the frequency or the damping of the ultrasonic signals is determined.
  • other parameters of the fluid can be determined in addition to the flow, for example its viscosity or its optical density.
  • the fluid is very often not a single-phase fluid, but a multi-phase system, for example a dispersion.
  • a dispersion is characterized in that undissolved components are present in another medium, the so-called dispersion medium. These undissolved components are called the disperse phase. Typically, the undissolved components are randomly distributed in the dispersing medium.
  • An important example of such a multi-phase system is a fluid, in particular a liquid, which contains undissolved gas bubbles as the disperse phase. It is often necessary to examine the fluid flowing in a line for the presence of gas bubbles. If, for example, a patient's blood is pumped through lines, e.g. as part of an operation, for example with a heart-lung machine, it is extremely important to examine the blood flowing in the line for the presence of gas bubbles, for example air bubbles, because they could have life-threatening consequences.
  • EP 2 717 026 proposed determining not only the transit time of the ultrasonic signal but also its amplitude after passing through the fluid. A sharp decrease or collapse in amplitude is used as an indicator that gas bubbles exist in the fluid. With this amplitude-based measurement, however, only the qualitative statement can be made that gas bubbles are present in the fluid; a quantitative statement about the proportion of gas bubbles in the fluid is practically impossible. This is due, for example, to the fact that many small gas bubbles can cause the same drop in amplitude as a larger one, or that smaller gas bubbles flow in the acoustic shadow of a larger gas bubble and thus contribute nothing to the drop in amplitude.
  • the amplitude of the ultrasonic signal received also depends on many other factors, for example the temperature of the medium, the properties of the ultrasonic transducer or the properties of the line or hose. It is therefore customary today to use the amplitude of the received ultrasonic signal only for the qualitative statement as to whether air bubbles or gas bubbles are present in the fluid or not.
  • the weight is usually used as a reference, i.e. filling is terminated as soon as the container to be filled has reached a specified weight. If, for example, a liquid which flows into the container to be filled contains a larger proportion of gas bubbles, for example air bubbles, particularly towards the end of the filling process, the volume associated with the predetermined weight increases as a result. The air bubbles are more likely to collect at the top of the container. The average density of the liquid with the gas bubbles it contains decreases. As a result, there is a risk that the container to be filled will overflow because the volume associated with the specified weight has no space in the container.
  • gas bubbles for example air bubbles
  • the present invention addresses this problem.
  • a method for determining the proportion of a disperse gas phase in a fluid flowing in a line in a flow direction using ultrasound comprising the following steps: a) providing an ultrasonic measuring device, which is designed to determine a transit time difference between two measurement signals that pass through the fluid in the line, b) sending and receiving a first measurement signal using the ultrasonic measuring device, the first measuring signal being sent with the flow direction, c) sending and receiving a second measuring signal using the ultrasonic measuring device, the second measurement signal is emitted against the direction of flow, d) transmission of the measurement signals to a storage and evaluation unit, e) determination of an individual value for the transit time difference between the first measurement signal and the second measurement signal, f) determination of a plurality of individual values for the transit time difference by repeating the steps b) to e), g) determining a mean value for the transit time difference from the individual values for the transit
  • Essential for the invention is the finding that the fluctuations in the transit time difference (or the values for the flow determined therefrom) around the mean value of the transit time difference (or the mean value for the flow determined therefrom) for a constant mean value of the transit time difference (or of Flow) depend in a very reproducible way on the proportion of the disperse phase in the fluid.
  • the statistical fluctuations in the transit time difference (or the values for the flow determined from it) i.e. the "noise" of the transit time difference (or the values for the flow determined from it)
  • certain values for the flow) for a reliable determination of the proportion of the disperse gas phase for example the proportion of gas bubbles, in the fluid.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that it is based on transit time measurements using ultrasound. Such measurements of the propagation times are, at least to a very good approximation, independent of the amplitude of the respectively received ultrasound measurement signal and are therefore influenced by considerably fewer factors than, for example, measurements of the amplitude of a received ultrasound measurement signal.
  • the proportion of the disperse gas phase can be reliably determined from the statistical fluctuations in the transit time difference around this mean value.
  • At least one first ultrasonic transducer is provided for sending and receiving the measurement signals, which in the operating state is arranged laterally on a first side of the line, and at least one second ultrasonic transducer, which is arranged laterally on a second side of the line in the operating state, the second side lying opposite the first side.
  • the ultrasonic transducers are arranged and aligned such that the first ultrasonic transducer can emit the first measurement signal obliquely to the flow direction of the fluid to the second ultrasonic transducer, and can receive the second measurement signal emitted by the second ultrasonic transducer obliquely to the flow direction.
  • the flow of the fluid through the line is determined from the transit time differences between the first measurement signals and the second measurement signals.
  • the ultrasonic measuring device is particularly preferably designed as a clamping device, and the line is clamped in the ultrasonic measuring device.
  • Such clamping devices are disclosed, for example, in EP 3 489634 A1 or also in EP 3 816 590 A1.
  • a particular advantage of the device disclosed in EP 3 816 590 A1 is that the ultrasonic signals are transmitted and received in several different measurement planes. This makes it possible, for example, for smaller gas bubbles in particular to be detected more reliably in the edge region of the measurement volume, as well as those gas bubbles that move in the shadow of other gas bubbles.
  • the determination of the proportion of the disperse gas phase is updated at regular intervals or continuously.
  • the method according to the invention is also suitable in particular for increasing the accuracy of the measurement of the flow of the fluid through the line.
  • a corrected mean value for the flow can be determined using the proportion of the disperse gas phase. This corrected average then takes into account the influence of the disperse gas phase on the determination of the flow.
  • the corrected mean value preferably indicates the flow rate of the fluid without the disperse gas phase. That is, based on the proportion of the disperse gas phase it is possible to determine what influence the disperse gas phase has on the individual values for the flow rate or on the mean value for the flow rate. Thus, for example, the corrected mean value for the flow can be determined, which indicates how large the flow of the fluid is without the disperse gas phase. The flow of the "pure" dispersion medium can thus be determined, which enables a significant increase in the accuracy of the flow measurement.
  • any parameter that is a measure of the fluctuations or the scattering of the individual values of the transit time difference measurement (or the values for the flow rate) around the mean value of the transit time difference (or the flow rate) is suitable as a scattering parameter.
  • the scattering parameter is preferably a statistical parameter which describes the statistical noise of the individual values around the mean value.
  • the scatter parameter is, for example, the variance of the individual values in relation to the mean or the standard deviation of the individual values.
  • the change in the scattering parameter as a function of the proportion of the disperse gas phase is described by a linear determination function at a constant mean value for the transit time difference (or the flow rate).
  • the linear determination function is defined by two linear coefficients, each linear coefficient being determined using a polynomial function whose variable is the mean value for the transit time difference (or for the flow rate).
  • the change in the scattering parameter as a function of the proportion of the disperse gas phase is also possible for the change in the scattering parameter as a function of the proportion of the disperse gas phase to be stored in a lookup table in the storage and evaluation unit at a constant mean value for the transit time difference.
  • the proportion of the disperse gas phase is determined first and a modified proportion of the disperse gas phase to be determined from this by using a smoothing factor.
  • the smoothing factor is calculated using a polynomial function whose variable is the mean value for the transit time difference.
  • the disperse gas phase consists of gas bubbles.
  • the proportion of the disperse gas phase is then preferably the proportion by volume of the gas bubbles in a liquid.
  • each value of the transit time difference can be converted very easily into a value for the flow. It is therefore also possible for each travel time difference to be converted into a value for the flow of the fluid through the line, and for the proportion of the disperse gas phase to be determined using the values for the flow. However, this pure conversion does not change the fact that the determination of the proportion of the disperse gas phase is based on the transit time differences.
  • the corresponding variables or the corresponding one must of course be used connection to be used for the flow.
  • the scattering parameter is determined accordingly for the flow rate values, and the relationship between the mean value for the transit time difference and the change in the scattering parameter in Depending on the proportion of the disperse gas phase, a relationship between the mean value for the flow and the change in the scattering parameter as a function of the proportion of the disperse gas phase is transformed.
  • an averaged individual value is determined from a predeterminable number of individual values, and then for the statistical evaluation, ie in particular the determination of the scattering parameter, to take place using the averaged individual values. Essentially, this corresponds to a smoothing of the individual values before the statistical evaluation. Further advantageous measures and refinements of the invention result from the dependent claims.
  • Fig. 1 a schematic representation of an ultrasonic measuring device for
  • Fig. 2 a perspective view of an ultrasonic measuring device for
  • Fig. 3 a schematic representation to illustrate a
  • Fig. 4 a diagram showing the relationship between a
  • Fig. 5 as Fig. 3, but for a variant of the embodiment.
  • the invention proposes a method for determining the proportion of a disperse gas phase in a fluid flowing in a line 100 (Fig. 1), in which an ultrasonic measuring device 1 is used to determine a transit time difference between two measuring signals which the fluid in the Go through line 100.
  • the disperse gas phase consists of gas bubbles.
  • the fluid is a liquid.
  • the volume fraction of the gas bubbles is considered as an example for the fraction of the disperse gas phase.
  • the determination of the volume fraction of gas bubbles in a liquid, for example water or an aqueous solution, is considered as an example.
  • a dispersion is called Designates a multiphase system in which undissolved components, quantities or objects are present in a medium.
  • the undissolved components are usually referred to as the disperse phase and the medium as the dispersion medium.
  • the undissolved components of the disperse phase are usually randomly distributed in the dispersion medium.
  • the dispersion medium is a fluid, ie for example a liquid or a gas.
  • the disperse phase is a disperse gas phase, ie the disperse phase is gaseous.
  • the process according to the invention is particularly suitable for applications in which the volume of the disperse gas phase is at most 40% of the total volume, ie the volume of the disperse gas phase and the volume of the dispersion medium.
  • dispenser gas phase fraction means that a quantitative determination of the amount or the volume or the mass of the disperse gas phase in the fluid takes place, ie for example the determination of a volume percentage or a mass percentage.
  • ultrasonic measuring devices 1 with which the transit time difference between two measuring signals in a fluid flowing through a line 100 can be determined are suitable for the method according to the invention.
  • One measurement signal is sent in the flow direction of the fluid and the other measurement signal against the flow direction.
  • Ultrasonic measuring devices 1 are also suitable which themselves form the line 100 or part of the line 100, for example so-called inline measuring devices, in particular those sold by the applicant under the brand name LEVI FLOW LFS.
  • the line is denoted by reference number 100 .
  • the line 100 is a flexible line 100, ie a line 100 whose wall 101 (FIG. 2) is deformable.
  • the flexible line 100 is, for example, a plastic hose made of silicone rubber or PVC.
  • line 100 can also be off other materials, in particular made of a plastic or rubber.
  • the method according to the invention is also suitable for rigid, ie non-flexible lines.
  • the fluid flows through the line 100 in a flow direction A.
  • At least two ultrasonic transducers 11, 22 are provided for transmitting and receiving measurement signals 12, 21, which are ultrasonic signals, namely a first ultrasonic transducer 11 and a second ultrasonic transducer 22.
  • the first ultrasonic transducer 11 is arranged laterally on a first side 51 of the line 100
  • the second ultrasonic transducer 22 is arranged laterally on a second side 52 of the line 100, the second side 52 being opposite the first side 51.
  • the ultrasonic transducers 11, 22 are arranged and aligned in such a way that the first ultrasonic transducer 11 can emit a first measurement signal 12 obliquely to the direction of flow A of the fluid to the second ultrasonic transducer 22, and a second measurement signal 21 emitted by the second ultrasonic transducer 22 obliquely to the direction of flow A can receive.
  • the measurement signals 12, 21 are represented symbolically in FIG. 1 by dashed straight lines with an arrowhead.
  • the dashed line indicates the main propagation direction of the ultrasonic signal emitted by the corresponding ultrasonic transducer 11, 22 and the arrowhead indicates the direction, i.e. whether the respective ultrasonic signal is moving towards the respective ultrasonic transducer 11, 22, i.e. is being received, or moved away from it, i.e. sent.
  • the main direction of propagation is usually perpendicular to the surface of the piezoelectric element of the corresponding ultrasonic transducer 11 or 22.
  • the main direction of propagation encloses an angle a with the direction of flow A which is different from 0° and from 90°.
  • ultrasonic measuring devices 1 which are designed as inline measuring devices
  • this angle a is equal to 0° or 180°
  • the measuring signals are emitted in such a way that their main propagation direction is equal to the direction of flow A or exactly is directed opposite to the direction of flow A.
  • U-shaped or Z-shaped ultrasonic measuring devices In the ultrasonic measuring device 1 shown in FIG. 1, the procedure for determining the transit time difference is as follows, for example.
  • the first ultrasonic transducer 11 emits a first measurement signal 12, the first measurement signal 12 being transmitted obliquely at the angle a to the direction of flow A and with the direction of flow A, which means that the main direction of propagation of the first measurement signal 12 also has a component in the direction of flow A .
  • the second ultrasonic transducer 22 emits a second measurement signal 21, with the second measurement signal 21 being emitted obliquely at the angle a to the direction of flow A and against the direction of flow A, which means that the main direction of propagation of the second measurement signal 21 also has a component counter to the direction of flow A has
  • the first measurement signal 12 is received by the second ultrasonic transducer 22 after it has passed through the fluid and is transmitted to a storage and evaluation unit 20 via a signal line 22a.
  • the second measurement signal 21 is received by the first ultrasonic transducer 11 after it has passed through the fluid and is transmitted to the storage and evaluation unit 20 via a signal line 11a.
  • the transit time difference between the first measurement signal 12, which was accelerated by the flowing fluid, and the second measurement signal 21, which was slowed down by the flowing fluid, is determined in the storage and evaluation unit 20.
  • This transit time difference between the first measurement signal 12 and the second measurement signal 21 is directly dependent on the flow velocity of the fluid in the line 100.
  • the flow velocity and thus also the flow of the fluid through the line 100 can thus also be determined from the transit time difference, for example.
  • ultrasonic measuring device 1 at least four ultrasonic transducers 11, 22 are provided for the respective transmission and reception of ultrasonic signals, namely at least two of the first ultrasonic transducers 11, which are arranged laterally on the first side 51, and at least two of the second Ultrasonic transducers 22, which are arranged laterally on the second side 52.
  • the ultrasonic transducers 11, 22 are then arranged and aligned in such a way that one of the first ultrasonic transducers 11 can emit a first measurement signal 12 obliquely to and with the direction of flow A to one of the second ultrasonic transducers 22, and one of the second ultrasonic transducers 22 obliquely to and in the opposite direction the direction of flow A emitted second measurement signal 21 can receive.
  • the four ultrasonic transducers 11, 12 are then arranged in the shape of an X, for example.
  • Such an arrangement of the ultrasonic transducers 11, 22 is disclosed, for example, in EP 3489 634 A1. In this arrangement with four ultrasonic transducers, it is advantageous that two independent measurements are carried out both in the direction of flow A and against the direction of flow A, which significantly increases the accuracy and reliability, for example when determining the flow.
  • the ultrasonic measuring device 1 is particularly preferably designed as a clamping device, so that the line 100 can be clamped in the ultrasonic measuring device 1 .
  • 2 shows a perspective view of an embodiment of an ultrasonic measuring device 1 for determining the transit time difference between two measuring signals, which is designed as a clamping device.
  • the ultrasonic measuring device 1 comprises a housing 4.
  • the ultrasonic measuring device 1 is designed as a clamping device for a clamped connection to the line 100, i.e. the housing 4 of the ultrasonic measuring device 1 can be clamped onto the line 100 in such a way that the line 100 with respect to the housing 4 is fixed.
  • the basic configuration of the ultrasonic measuring device 1 with the housing 4 is known per se, for example from EP 3 489634 A1. Also in EP 3 816 590 A1 an ultrasonic
  • Measuring device 1 which is designed as a clamping device for detachable attachment to the line 100 and is suitable for the method according to the invention.
  • the housing 4 is designed as a closable housing 4 and comprises a first housing part 41 and a second housing part 42 which are connected to one another in an articulated manner via a joint 43 . 2 shows the housing 4 in the open state.
  • the housing 4 also has a continuous central recess 3 which extends through the entire housing 4 and is used to accommodate the line 100 .
  • the longitudinal extension of the central recess 3 defines the direction of flow A, in which the fluid flows through the line 100 or the housing 4 .
  • the housing 4 also has a locking mechanism 44 to secure the housing
  • the locking mechanism 44 is arranged here on the first housing part 41 and comprises a bracket 46 and a foldable tab 45 for tensioning the bracket 46.
  • the line 100 is inserted into the central recess 3, and then the two housing parts 41, 42 are folded together, ie the first Housing part 41 is folded over line 100 .
  • the bracket 46 is brought into engagement with a projection 47 on the second housing part 42, and by actuating the tab 45 the two housing parts 41, 42 are clamped together.
  • the housing 4 is then in its closed state, in which the line 100 is clamped in the central recess 3 and is thus fixed with respect to the housing 4 .
  • a marking element (not shown) can also be provided on the housing 4 , for example an arrow, which defines the flow direction in which the fluid is to flow through the ultrasonic measuring device 1 .
  • the central recess 3 is preferably designed in such a way that, when the housing 4 is in the closed state, it has a substantially rectangular, in particular a square, cross section perpendicular to the direction of flow A. This has the advantage that ultrasonic measurement signals applied to the line 100 hit planar, i.e. not curved, surfaces, which greatly simplifies the detection and evaluation of the measurement signals 12, 21 and increases the accuracy of the measurement.
  • Embodiments are also known in which the central recess is designed in such a way that, when the housing is closed, it has a different polygonal cross section perpendicular to the direction of flow A, for example a hexagonal cross section. Furthermore, embodiments are known in which this cross section is circular or oval. In such embodiments, acoustic lenses are then often used for transmitting and/or receiving the measurement signals.
  • the ultrasonic transducers 11, 22, which are not shown in Fig. 2, are in the housing 4, namely on the first side 51 and on the second side 52, intended.
  • the first ultrasonic transducer(s) 11 is/are arranged on the first side 51 and the second ultrasonic transducer(s) 22 is/are arranged on the second side 52 .
  • Each of the ultrasonic transducers 11, 22 is signal-connected to the storage and evaluation unit 20 via one of the signal lines 11a, 22a (FIG. 1).
  • the signal lines 11a, 22a and the storage and evaluation unit 20 are not shown in FIG.
  • the ultrasonic transducers 11, 22 are controlled via the respective signal line 11a, 22a to emit ultrasonic signals and transmit the respectively received measurement signals 12, 21 to the storage and evaluation unit 20.
  • the received measurement signals 12 and 21 analyzed, and the transit time difference between one of the first measurement signals 11 and one of the second measurement signals 21 is determined in each case. Furthermore, it is possible to determine the flow of the fluid through the line 100 from the transit time differences determined.
  • the ultrasonic transducers 11, 22 can be designed in any way known per se, in particular as piezoelectric transducers.
  • the frequency of the ultrasonic signals is typically in the megahertz range, for example in the range from 1 MHz to 30 MHz.
  • ultrasonic measuring devices 1 The preceding description of the ultrasonic measuring devices 1 is to be understood merely as an example. Any ultrasonic measuring device which is designed or suitable for determining the travel time difference between a measuring signal emitted with the direction of flow A and a measuring signal emitted against the direction of flow A is suitable for the method according to the invention.
  • FIG 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method according to the invention for determining the proportion of a disperse gas phase, which consists of gas bubbles in this example, in the fluid, which is a liquid here, with the fluid flowing through line 100 .
  • a plurality of individual values for the transit time difference between a first measurement signal 12 and a second measurement signal 21 is determined with the aid of the ultrasonic measuring device 1 . These individual values are represented in FIG. 3 by the arrow with the reference symbol E.
  • Each individual value E is stored in a storage module 25 of the storage and evaluation unit 20 .
  • the Memory module 25 is designed, for example, as a FIFO memory (FIFO: First in - First out).
  • the stored individual values E are collected in the storage module 25 and evaluated using an analysis method.
  • the analysis method preferably uses statistical or stochastic methods in order to determine the proportion of the disperse phase, in this case the gas bubbles, in the fluid from the plurality of individual values E, as will be described in detail below.
  • the determination of the proportion of the disperse phase is preferably updated at regular intervals or continuously. “Continuously updated” means that with each new individual value E for the transit time difference that is transmitted to the storage module, the evaluation is carried out again and the determination of the proportion of the disperse phase is updated.
  • a mean value MW for the transit time difference is determined from the individual values E for the transit time difference.
  • the mean value MW is preferably the statistical mean value MW or the arithmetic mean, ie the sum of n individual values E divided by the number n of individual values, where n is a natural number.
  • a key finding for the invention is that the fluctuations of the individual values E around the mean value MW for a constant mean value MW depend in a very reproducible manner on the proportion of the disperse gas phase in the fluid.
  • the statistical fluctuations of the individual values E around the mean MW, ie the "noise" of the transit time difference (or also the flow rate) around the mean MW can thus be used for a reliable determination of the proportion of the disperse gas phase in the fluid.
  • a scattering parameter SP is also determined from the individual values E, which is characteristic of the scattering of the individual values E around the mean value MW.
  • the variance of the individual values E, or the empirical variance, or the standard deviation, or the empirical standard deviation of the individual values E from the mean value MW are suitable as scattering parameters, for example.
  • the standard deviation is the square root of the variance.
  • the (empirical) variance is the sum of the squared deviation of the n individual values E from the mean MW divided by the number n of individual values E or divided by the number (n-1) of degrees of freedom.
  • n is any natural number that specifies the number of individual values E. It is also possible to determine an averaged individual value from a predefinable number of individual values E and then to use these averaged individual values for further analysis, ie in particular also for determining the mean value MW.
  • the variance SP defined as follows is used as the scattering parameter SP: where Ej designates the i-th individual value E (or the i-th averaged individual value) and n the number of individual values E.
  • Ej designates the i-th individual value E (or the i-th averaged individual value)
  • n the number of individual values E.
  • the square root of the variance SP can also be used as a scattering parameter. This is usually referred to as the (empirical) standard deviation.
  • the proportion of the disperse gas phase DP can be calculated as follows:
  • the mean value MW and the scattering parameter SP in this case the variance SP, are determined from the individual values E, which are stored in the memory module 25.
  • the two linear coefficients m and t are determined for the specific mean value MW.
  • the linear determination function F is thus known for this specific mean value MW and thus the change in the scattering parameter SP as a function of the proportion of the disperse gas phase DP.
  • the method according to the invention thus enables a quantitative statement to be made about the disperse gas phase in the fluid.
  • the two linear coefficients m and t which define the linear determination function F for a predefinable and constant mean value MW, can be stored, for example, in a lookup table in the storage and evaluation unit 20 for different mean values MW. It is also possible to describe the linear coefficients m, t in each case by a functional relationship whose variable is the mean value MW. This functional relationship can be a polynomial function for each of the linear coefficients m, t, the variable of which is the mean value MW.
  • the linear coefficients m, t for the respective ultrasonic measuring device 1 are preferably determined empirically or by measurement, for example by calibration measurements. This can be done as follows.
  • the mean value MW for the propagation time difference and the scattering parameter SP are measured on a calibration fluid for different portions of the disperse gas phase DP by means of the ultrasonic measuring device 1 .
  • the calibration fluid has a predeterminable proportion of the disperse phase DP. This can be realized, for example, in such a way that the liquid flowing in line 100, for example water, is admixed with a predeterminable volume fraction of a gas, for example air.
  • the mean value MW of the transit time difference and the variance SP ie the scattering of the individual values E around the mean value MW, are then determined using the ultrasonic measuring device 1 for this fluid, for example water with the gas bubbles it contains.
  • the flow rate is then increased in several steps, for example from zero to a value of 10 liters per minute. It will be the Mean value MW and the variance SP determined.
  • This calibration measurement is repeated for different values of the proportion of the disperse gas phase DP, in this case the gas bubbles, for example for volume proportions of the gas bubbles of 0%, 0.5%, 3% and 6%, to name just one example.
  • a family of curves is obtained from these calibration measurements, as is shown by way of example in the diagram in FIG.
  • the proportion of the disperse phase DP in this case the volume proportion of the gas bubbles in the liquid, is plotted on the horizontal axis
  • the scattering parameter SP in this case the variance
  • Three curves MW1, MW2, MW3 are shown in FIG.
  • Each of the curves MW1, MW2 and MW3 belongs to a constant mean value MW of the transit time difference.
  • the curve MW1 belongs to the smallest value of the constant mean value MW for the transit time difference
  • the curve MW3 to the largest mean value MW for the transit time difference
  • the curve MW2 to a mean value for the transit time difference.
  • a value for each of the two linear coefficients m and t can then be determined from each of the curves MW1, MW2, MW3 and possibly other curves not shown in FIG.
  • each of the curves MW1, MW2, MW3 goes through the zero point of the coordinate system, ie the value zero for the scattering parameter SP belongs to the proportion of the disperse phase DP of zero.
  • Determining the proportion of the disperse phase DP becomes more accurate if a non-zero value is allowed for the linear coefficient.
  • a fourth-degree polynomial is used to determine each of the linear coefficients m, t.
  • linear coefficients m, t can also be described by polynomial functions of a different degree. Furthermore, it is possible to use two polynomials which have different degrees for determining the linear coefficient m and for determining the linear coefficient t.
  • the proportion of the disperse phase DP in the fluid flowing in the line 100 can thus be determined from the scattering parameter SP for each mean value MW of the transit time difference between the first measurement signal 12 and the second measurement signal 21 .
  • the reaction time of the entire system with the ultrasonic measuring device 1 and the line 100 through which the fluid flows can be influenced in particular by the configuration of the storage module 25 .
  • FIG. 5 shows a variant of the exemplary embodiment described above. Only the differences between the variant and the exemplary embodiment according to FIG. 3 are discussed below. The same components or features that are equivalent in terms of function are denoted by the same reference symbols as in the exemplary embodiment. It goes without saying that all the preceding explanations also apply in the same way or in the same way to the variant according to FIG.
  • the proportion of the disperse phase DP is first determined—for example as described above.
  • a modified proportion of the disperse phase DM is then determined from this proportion of the disperse phase DP by applying a smoothing factor G.
  • the determination of the proportion of the disperse phase DP can be improved by using the determined value for the fraction of the disperse phase DP the smoothing factor G is applied.
  • the smoothing factor G can be used to take into account, for example, that with weak flows, i.e. with small mean values MW for the transit time difference or for the flow rate, the statistical character of the distribution of the gas bubbles as the disperse phase is at least partially lost, for example due to buoyancy or due to the flow conditions.
  • the use of the smoothing factor G can be particularly advantageous when the flow through the line 100 is less than five times the critical Reynolds number.
  • the smoothing factor G is also determined on the basis of curves MW1, MW2, MW3, as shown in Fig. 4, which, for a constant mean value MW of the transit time difference, reflect the change in the scattering parameter SP, here as the variance SP, as a function of reflect the proportion of the disperse gas phase DP.
  • the smoothing factor G results for a specific mean value MWs of the transit time difference by calculating the function yc at this point MWs. So it is
  • function types other than a polynomial function can also be used to calculate the smoothing factor, for example a hyperbola of the form:
  • the smoothing factor G is also determined, and the calculated proportion of the disperse gas phase DP (in this case the proportion of gas bubbles) is multiplied by the smoothing factor G in order to obtain the modified proportion of the disperse phase DM , which is a quantitative measure of how much of the fluid consists of the disperse phase, in this case how large the volume fraction of the gas bubbles in the liquid is.
  • a gas phase e.g. gas bubbles
  • a fluid medium e.g. a liquid
  • the quantitative gas content can be calculated out of the transferred volume.
  • volume counter Flow meters known per se from the prior art often also offer a so-called volume counter.
  • the pumped volume is calculated on the basis of the time and the flow rate. In the event of an error, for example if the presence of gas bubbles is detected during the measurement, at best an indication appears that bubbles were detected during the measurement. How much the volume determined by means of the volume counter deviates from the actual volume, or how many gas bubbles were detected, remains unknown with these flow meters.
  • the method according to the invention makes it possible for the system, which includes the flowmeter, to carry out a correction itself based on the now possible quantitative determination of the gas content, in order to determine the actual volume, ie the volume without the gas bubble content.
  • a corrected mean value for the flow of the fluid through the line 100 can be determined, for example, using the proportion of the disperse phase, in this case the gas bubbles.
  • This corrected mean value then takes into account the influence of the disperse phase, in this case the gas bubbles, on determining the flow.
  • the volume of the pure liquid, i.e. without the volume of the gas bubbles can then be determined from this corrected mean value for the flow rate.
  • the method according to the invention can be used to quantitatively determine the proportion of the disperse phase, e.g. the gas bubbles, which of course should not contribute to the specified target volume. Appropriate corrections, for example feedback to a pump or a valve or a monitoring and control unit, allow the process to continue until the target volume that can be specified is actually reached.
  • the method according to the invention can be carried out with all ultrasonic measuring devices 1 which are suitable for determining the flow of a fluid.
  • the method according to the invention makes it possible to determine quantitative information about a disperse phase in a fluid, it can also be used, for example, for threshold switches, limit switches or detectors, and in particular also in combination with existing measurement or analysis technology.

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem in einer Leitung in einer Strömungsrichtung strömenden Fluid mithilfe von Ultraschall, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Ultraschall-Messvorrichtung (1), welche zur Ermittlung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen ausgestaltet ist, die das Fluid in der Leitung (100) durchlaufen, b) Aussenden und Empfangen eines ersten Messsignals (12) mithilfe der Ultraschall-Messvorrichtung (1), wobei das erste Messsignal (12) mit der Strömungsrichtung (A) ausgesendet wird, c) Aussenden und Empfangen eines zweiten Messsignals (21) mithilfe der Ultraschall-Messvorrichtung (1), wobei das zweite Messsignal (21) gegen die Strömungsrichtung (A) ausgesendet wird, d) Übermitteln der Messsignale (12, 21) an eine Speicher- und Auswerteeinheit (20), e) Bestimmen eines Einzelwerts (E) für die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal (12) und dem zweiten Messsignal (21), f) Bestimmen einer Mehrzahl von Einzelwerten für die Laufzeitdifferenz durch Wiederholen der Schritte b) bis e), g) Bestimmen eines Mittelwertes (MW) für die Laufzeitdifferenz aus den Einzelwerten (E) für die Laufzeitdifferenz, h) Bestimmen eines Streuparameters (SP), welcher charakteristisch ist für die Streuung der Einzelwerte (E) um den Mittelwert (MW), i) Bereitstellen eines Zusammenhangs zwischen dem Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz und der Änderung des Streuparameters (SP) in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase (DP), j) Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase (DP) aus dem Streuparameter (SP) und dem genannten Zusammenhang, wobei optional die Einzelwerte (E) für die Laufzeitdifferenz oder ein Mittelwert über mehrere Einzelwerte (E) in Einzelwerte (E) für den Durchfluss des Fluids oder in einen Mittelwert für den Durchfluss transformiert werden, und die Schritte h) und i) mit den Einzelwerten (E) für den Durchfluss oder dem Mittelwert für den Durchfluss durchgeführt werden.

Description

Levitronix GmbH, CH-8005 Zürich (Schweiz)
Verfahren zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem Fluid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem in einer Leitung in einer Strömungsrichtung strömenden Fluid mithilfe von Ultraschall, wobei mittels einer Ultraschall-Messvorrichtung eine Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen ermittelt wird, die das Fluid in der Leitung durchlaufen.
In der Verfahrenstechnik werden für die Untersuchung von Fluiden oder für die Messung an Fluiden, die in Leitungen, beispielsweise einem flexiblen Kunststoffschlauch, strömen, nicht-invasive Methoden eingesetzt. Dies ist insbesondere bei solchen hochreinen oder sehr empfindlichen Fluiden der Fall, bei denen ein Kontakt zwischen dem Fluid und der Messvorrichtung so weit wie möglich vermieden werden soll, beispielsweise, damit das Fluid nicht kontaminiert wird. Als Beispiele seien hier die Pharmaindustrie und die biotechnologische Industrie genannt. Hier werden häufig Lösungen und Suspensionen hergestellt und gefördert, die eine sehr hohe Anforderung an die Reinheit und/oder an die Unversehrtheit des Fluids stellen. Häufig müssen derartige Fluide sogar unter sterilen Bedingungen behandelt werden.
Als nicht-invasive Methode zur Messung an Fluiden, die in Leitungen strömen, hat sich insbesondere die Ultraschall-Messtechnik bewährt. Ultraschall- Messvorrichtungen zur Messung an einem in einer Leitung strömenden Fluid werden beispielsweise eingesetzt, um den Durchfluss des Fluids durch eine Leitung, zu bestimmen. Dabei ist es eine bekannte Massnahme, die Messvorrichtung als Klemmvorrichtung auszugestalten, derart dass sie auf eine flexible Leitung aufgeklemmt werden kann, bzw. dass die Leitung von der Messvorrichtung eingeklemmt wird. Die Leitung mit dem darin strömenden Fluid wird dann mit Ultraschallsignalen beaufschlagt. Nach Durchlaufen der Leitung und des Fluids werden die Ultraschallsignale von einem Ultraschallwandler empfangen und das empfangene Signal ausgewertet.
Für die Bestimmung des Durchflusses ist es eine bekannte Massnahme, dass die Ultraschall-Messvorrichtung mindestens zwei Ultraschallwandler umfasst, welche im Betriebszustand lateral an gegenüberliegenden Seiten der Leitung angeordnet sind. Die beiden Ultraschallwandler sind bezüglich der Strömungsrichtung des Fluids zueinander versetzt angeordnet und dabei so ausgerichtet, dass der erste Ultraschallwandler ein von dem zweiten Ultraschallwandler gesendetes Signal empfangen kann, und der zweite Ultraschallwandler ein von dem ersten Ultraschallwandler gesendetes Signal empfangen kann. Durch den Versatz zueinander sind dabei die beiden Ultraschallwandler so ausgerichtet, dass sie ihre Ultraschallsignale jeweils schräg zur Strömungsrichtung des Fluids aussenden, wobei der eine Ultraschallwandler das Signal schräg mit der Strömungsrichtung aussendet, während der andere Ultraschallwandler das Signal schräg gegen die Strömungsrichtung aussendet. Nun wird mit dem ersten Ultraschallwandler ein Messsignal ausgesendet, das von dem zweiten Ultraschallwandler empfangen wird, und dann wird von dem zweiten Ultraschallwandler ein Messsignal ausgesendet, das von dem ersten Ultraschallwandler ausgesendet wird.
Das schräg in Strömungsrichtung ausgesendete Messsignal wird in der Strömung beschleunigt und das schräg gegen die Strömungsrichtung ausgesendete Messignal wird durch die Strömung abgebremst. Die Laufzeitdifferenz der beiden Messsignale ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, sodass sich aus dieser Laufzeitdifferenz der Durchfluss durch die flexible Leitung ermitteln lässt.
Neben solchen Ultraschallverfahren, die auf der Messung von Laufzeiten bzw. Laufzeitdifferenzen beruhen, sind auch Verfahren bekannt, bei denen die Amplitude oder die Frequenz oder die Dämpfung der Ultraschallsignale ermittelt wird. Mit diesen Parametern und insbesondere auch aus Kombinationen dieser Parameter, beispielsweise Laufzeit und Dämpfung, lassen sich neben dem Durchfluss auch andere Kenngrössen des Fluids bestimmen, beispielsweise seine Viskosität oder seine optische Dichte. Sehr häufig ist das Fluid aber kein einphasiges Fluid, sondern ein Mehrphasensystem, beispielsweise eine Dispersion. Eine Dispersion ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht gelöste Bestandteile in einem anderen Medium, dem sogenannten Dispersionsmedium vorliegen. Diese nicht gelösten Bestandteile bezeichnet man als disperse Phase. Typischerweise sind die nicht gelösten Bestandteile statistisch in dem Dispersionsmedium verteilt.
Ein wichtiges Beispiel für ein solches Mehrphasensystem ist ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, das nicht gelöste Gasblasen als disperse Phase enthält. Oft ist es notwendig, das in einer Leitung strömende Fluid auf das Vorhandensein von Gasblasen zu untersuchen. Wird beispielsweise das Blut eines Patienten, z.B. im Rahmen einer Operation, durch Leitungen gepumpt, beispielsweise mit einer Herz- Lungen-Maschine, so ist es extrem wichtig, das in der Leitung strömende Blut auf das Vorhandensein von Gasblasen, beispielsweise Luftblasen, zu untersuchen, weil diese lebensbedrohliche Folgen haben könnten.
Zur Detektion von Gasblasen im Rahmen einer Ultraschall-Durchflussmessung ist in der EP 2 717 026 vorgeschlagen worden, äusser der Laufzeit des Ultraschallsignals auch seine Amplitude nach Durchlaufen des Fluids zu bestimmen. Eine starke Abnahme bzw. ein Zusammenbrechen der Amplitude wird als Indikator dafür verwendet, dass in dem Fluid Gasblasen existieren. Mit dieser amplitudenbasierten Messung lässt sich aber nur die qualitative Aussage machen, dass Gasblasen in dem Fluid vorliegen, eine quantitative Aussage über den Anteil der Gasblasen in dem Fluid ist praktisch nicht möglich. Dies liegt beispielsweise daran, dass viele kleine Gasblasen den gleichen Amplitudenabfall bewirken können wie eine grössere, oder dass kleinere Gasblasen im Schallschatten einer grösseren Gasblase strömen und so gar nichts zum Amplitudenabfall beitragen. Auch ist die Amplitude des empfangenen Ultraschallsignals von vielen anderen Faktoren abhängig, beispielsweise von der Temperatur des Mediums, den Eigenschaften der Ultraschallwandler oder den Eigenschaften der Leitung bzw. des Schlauches. Daher ist es heute üblich, die Amplitude des empfangenen Ultraschallsignals lediglich für die qualitative Aussage zu nutzen, ob Luftblasen bzw. Gasblasen in dem Fluid vorhanden sind oder nicht.
Für viele Anwendungen ist es aber wünschenswert, dass man den Anteil der Gasblasen oder allgemeiner der dispersen Phase in einem Fluid bestimmen kann, also auch eine zuverlässige quantitative Aussage über die disperse Phase treffen kann.
Als ein Beispiel seien hier automatische Füllprozesse genannt. Bei solchen Füllprozessen wird üblicherweise das Gewicht als Referenz verwendet, d.h. die Befüllung wird beendet, sobald der zu befüllende Behälter ein vorgebbares Gewicht erreicht hat. Enthält beispielsweise eine Flüssigkeit, welche in den zu befüllenden Behälter einströmt, insbesondere gegen Ende des Befüllungsprozesses einen grösseren Anteil an Gasblasen, beispielsweise Luftblasen, so nimmt hierdurch das zu dem vorgegebenen Gewicht gehörende Volumen zu. Die Luftblasen sammeln sich eher am oberen Ende des Behälters. Die mittlere Dichte der Flüssigkeit mit den darin enthaltenen Gasblasen nimmt ab. Dadurch besteht die Gefahr, dass der zu befüllende Behälter überläuft, weil das zu dem vorgegebenen Gewicht gehörende Volumen keinen Platz in dem Behälter hat. Der Füllprozess wird daher zu spät beendet und es kann zu Schäden am Behälter und im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Behälters kommen. Dies bedeutet Gefahr für das Betriebspersonal und die Maschinen. Ferner können wirtschaftliche Verluste die Folge sein. Um solchen Folgen vorzubeugen, werden häufig sehr hohe Sicherheitsreserven vorgesehen, sodass die Prozesse in vielen Fällen vorzeitig gestoppt oder unterbrochen wären. Liesse sich der der Anteil der dispersen Gasphase, hier also der Luftblasen, in zuverlässiger Weise bestimmen, so könnten diese Sicherheitsreserven reduziert und somit der Prozess effizienter und wirtschaftlicher durchgeführt werden.
Diesem Problem widmet sich die vorliegende Erfindung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem der Anteil der dispersen Gasphase in einem Fluid, welches durch eine Leitung strömt, zuverlässig bestimmbar ist. Dieses Verfahren soll mittels einer Ultraschall-Messvorrichtung durchführbar sein. Somit soll das Verfahren basierend auf einer Ultraschall Messung eine quantitative Aussage über die disperse Gasphase in einem strömenden Fluid ermöglichen.
Der diese Aufgabe lösende Gegenstand der Erfindung ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gekennzeichnet. Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren vorgeschlagen zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem in einer Leitung in einer Strömungsrichtung strömenden Fluid mithilfe von Ultraschall, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Ultraschall-Messvorrichtung, welche zur Ermittlung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen ausgestaltet ist, die das Fluid in der Leitung durchlaufen, b) Aussenden und Empfangen eines ersten Messsignals mithilfe der Ultraschall- Messvorrichtung, wobei das erste Messsignal mit der Strömungsrichtung ausgesendet wird, c) Aussenden und Empfangen eines zweiten Messsignals mithilfe der Ultraschall- Messvorrichtung, wobei das zweite Messsignal gegen die Strömungsrichtung ausgesendet wird, d) Übermitteln der Messsignale an eine Speicher- und Auswerteeinheit, e) Bestimmen eines Einzelwerts für die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal, f) Bestimmen einer Mehrzahl von Einzelwerten für die Laufzeitdifferenz durch Wiederholen der Schritte b) bis e), g) Bestimmen eines Mittelwertes für die Laufzeitdifferenz aus den Einzelwerten für die Laufzeitdifferenz, h) Bestimmen eines Streuparameters, welcher charakteristisch ist für die Streuung der Einzelwerte, i) Bereitstellen eines Zusammenhangs zwischen dem Mittelwert für die Laufzeitdifferenz und der Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase, j) Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase aus dem Streuparameter und dem genannten Zusammenhang, wobei optional die Einzelwerte für die Laufzeitdifferenz oder ein Mittelwert über mehrere Einzelwerte in Einzelwerte für den Durchfluss des Fluids oder in einen Mittelwert für den Durchfluss transformiert werden, und die Schritte h) und i) mit den Einzelwerten für den Durchfluss oder dem Mittelwert für den Durchfluss durchgeführt werden
Wesentlich für die Erfindung ist somit die Erkenntnis, dass die Fluktuationen der Laufzeitdifferenz (bzw. der daraus bestimmten Werte für den Durchfluss) um den Mittelwert der Laufzeitdifferenz (bzw. des daraus bestimmten Mittelwerts für den Durchfluss) für einen konstanten Mittelwert der Laufzeitdifferenz (bzw. des Durchflusses) in sehr gut reproduzierbarer Weise von dem Anteil der dispersen Phase in dem Fluid abhängen. Somit lassen sich die statistischen Schwankungen der Laufzeitdifferenz (bzw. der daraus bestimmten Werte für den Durchfluss), also quasi das "Rauschen" der Laufzeitdifferenz (bzw. der daraus bestimmten Werte für den Durchfluss), um den Mittelwert der Laufzeitdifferenz (bzw. der daraus bestimmten Werte für den Durchfluss) für eine zuverlässige Bestimmung des Anteils der dispersen Gasphase, beispielsweise des Anteils von Gasblasen, in dem Fluid nutzen.
Hierdurch wird es möglich, basierend auf Ultraschall-Durchflussmessungen eine quantitative Aussage über die disperse Gasphase in dem Fluid zu gewinnen.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist es dabei, dass es auf Laufzeitmessungen mithilfe von Ultraschall basiert. Solche Messungen der Laufzeiten sind, zumindest in sehr guter Näherung, unabhängig von der Amplitude des jeweils empfangenen Ultraschall-Messsignals, und sind daher von erheblich weniger Faktoren beeinflusst als beispielsweise Messungen der Amplitude eines empfangenen Ultraschall-Messsignals.
Auch hat sich gezeigt, dass die auf der Laufzeitdifferenz von Messsignalen basierte Bestimmung des Anteils der dispersen Gasphase zu deutlich genaueren und besser reproduzierbaren Ergebnissen führt als beispielsweise solche Bestimmungen, bei welchen der Anteil der dispersen Gasphase über die Auswertung der Amplitude von Ultraschallsignalen ermittelt wird, und dann aus den statistischen Schwankungen der Amplitudenwerte der Anteil der dispersen Gasphase abgeschätzt wird.
Für einen gegebenen Mittelwert der Laufzeitdifferenz von Messsignalen kann in zuverlässiger Weise der Anteil der dispersen Gasphase aus den statistischen Schwankungen der Laufzeitdifferenz um diesen Mittelwert bestimmt werden.
Grundsätzlich sind für das erfindungsgemässe Verfahren alle Ultraschall- Messvorrichtungen geeignet, mit denen die Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen bestimmbar ist, welche ein in einer Leitung strömendes Fluid durchlaufen.
Vorzugsweise ist für das Aussenden und das Empfangen der Messsignale mindestens ein erster Ultraschallwandler vorgesehen, welcher im Betriebszustand lateral auf einer ersten Seite der Leitung angeordnet ist, und mindestens ein zweiter Ultraschallwandler, welcher im Betriebszustand lateral auf einer zweiten Seite der Leitung angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt. Die Ultraschallwandler sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass der erste Ultraschallwandler das erste Messsignal schräg zu der Strömungsrichtung des Fluids an den zweiten Ultraschallwandler aussenden kann, und das von dem zweiten Ultraschallwandler schräg zur Strömungsrichtung ausgesendete zweite Messsignal empfangen kann.
Ferner ist es bevorzugt, dass aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den ersten Messsignalen und den zweiten Messsignalen der Durchfluss des Fluids durch die Leitung ermittelt wird.
Speziell bevorzugt ist die Ultraschall-Messvorrichtung als Klemmvorrichtung ausgestaltet ist, und die Leitung wird in der Ultraschall-Messvorrichtung eingeklemmt. Derartige Klemmvorrichtungen sind beispielsweise in der EP 3 489634 A1 oder auch in der EP 3 816 590 A1 offenbart. Ein besonderer Vorteil der in der EP 3 816 590 A1 offenbarten Vorrichtung ist es, dass die Ultraschallsignale in mehreren verschiedenen Messebenen ausgesendet und empfangen werden. Hierdurch wird es beispielsweise ermöglicht, dass insbesondere kleinere Gasbläschen im Randbereich des Messvolumens zuverlässiger erkannt werden und auch solche Gasblasen, die sich im Schatten anderer Gasblasen bewegen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase in regelmässigen Abständen oder kontinuierlich aktualisiert.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere auch dazu geeignet, die Genauigkeit der Messung des Durchflusses des Fluids durch die Leitung zu erhöhen. Dazu kann beispielsweise mithilfe des Anteils der dispersen Gasphase ein korrigierter Mittelwert für den Durchfluss bestimmt werden. Dieser korrigierte Mittelwert berücksichtigt dann den Einfluss der dispersen Gasphase auf die Ermittlung des Durchflusses.
Vorzugsweise gibt der korrigierte Mittelwert den Durchfluss des Fluids ohne die disperse Gasphase an. Das heisst, anhand des Anteils der dispersen Gasphase lässt sich ermitteln, welchen Einfluss die disperse Gasphase auf die Einzelwerte für den Durchfluss bzw. auf den Mittelwert für den Durchfluss hat. Somit kann z.B. der korrigierte Mittelwert für den Durchfluss bestimmt werden, welcher angibt, wie gross der Durchfluss des Fluids ohne die disperse Gasphase ist. Es lässt sich somit der Durchfluss des "reinen" Dispersionsmediums ermitteln, was eine deutliche Steigerung der Genauigkeit der Durchflussmessung ermöglicht.
Als Streuparameter ist prinzipiell jeder Parameter geeignet, der ein Mass ist für die Schwankungen bzw. das Streuen der Einzelwerte der Laufzeitdifferenzmessung (bzw. der Werte für den Durchfluss) um den Mittelwert der Laufzeitdifferenz (bzw. des Durchflusses). Vorzugsweise ist der Streuparameter ein statistischer Parameter, welcher das statistische Rauschen der Einzelwerte um den Mittelwert beschreibt. Der Streuparameter ist beispielsweise die Varianz der Einzelwerte bezüglich des Mittelwerts oder die Standardabweichung der Einzelwerte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase bei einem konstanten Mittelwert für die Laufzeitdifferenz (bzw. den Durchfluss) durch eine lineare Bestimmungsfunktion beschrieben.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die lineare Bestimmungsfunktion durch zwei Linearkoeffizienten festgelegt wird, wobei jeder Linearkoeffizient anhand einer Polynomfunktion bestimmt wird, deren Variable der Mittelwert für die Laufzeitdifferenz (bzw. für den Durchfluss) ist.
Auch ist es zur Bestimmung des Anteils der dispersen Phase aus den Laufzeitdifferenzmessungen möglich, dass die Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase bei einem konstanten Mittelwert für die Laufzeitdifferenz in einer Lookup-Tabelle in der Speicher- und Auswerteeinheit gespeichert ist.
Insbesondere für geringere Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids durch die Leitung kann es vorteilhaft sein, dass zunächst der Anteil der dispersen Gasphase ermittelt wird, und aus diesem durch Anwendung eines Glättungsfaktors ein modifizierter Anteil der dispersen Gasphase ermittelt wird. Dabei ist es bevorzugt, dass der Glättungsfaktor mit einer Polynomfunktion berechnet wird, deren Variable der Mittelwert für die Laufzeitdifferenz ist.
In einer bevorzugten Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht die disperse Gasphase aus Gasblasen.
Vorzugsweise ist dann der Anteil der dispersen Gasphase der Volumenanteil der Gasblasen in einer Flüssigkeit.
Da die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung ist, kann jeder Wert der Laufzeitdifferenz in sehr einfacher Weise in einen Wert für den Durchfluss umgerechnet werden. Daher ist es auch möglich, dass jede Laufzeitdifferenz in einen Wert für den Durchfluss des Fluids durch die Leitung umgerechnet wird, und der Anteil der dispersen Gasphase mittels der Werte für den Durchfluss ermittelt wird. Diese reine Umrechnung ändert jedoch nichts an der Tatsache, dass die Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase auf den Laufzeitdifferenzen basiert. Falls die Laufzeitdifferenzen zunächst in Werte für den Durchfluss umgerechnet werden, müssen natürlich auch anstelle des Mittelwertes für die Laufzeitdifferenz, des Streuparameters und des Zusammenhangs zwischen dem Mittelwert für die Laufzeitdifferenz und der Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit der dispersen Gasphase die entsprechenden Grössen bzw. der entsprechende Zusammenhang für den Durchfluss verwendet werden. Das heisst, die Einzelwerte und/oder der Mittelwert für die Laufzeitdifferenz werden in Einzelwerte und/oder den Mittelwert für den Durchfluss umgerechnet, der Streuparameter wird entsprechend für die Durchflusswerte ermittelt, und der Zusammenhang zwischen dem Mittelwert für die Laufzeitdifferenz und der Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase wird in einen Zusammenhang zwischen dem Mittelwert für den Durchfluss und der Änderung des Streuparameters in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase transformiert.
Ferner ist es möglich, dass aus einer vorgebbaren Anzahl von Einzelwerten jeweils zunächst ein gemittelter Einzelwert bestimmt wird, und dass dann die statistische Auswertung, also insbesondere das Bestimmen des Streuparameters anhand der gemittelten Einzelwerte erfolgt. Im Wesentlichen entspricht dies einer Glättung der Einzelwerte vor der statistischen Auswertung. Weitere vorteilhafte Massnahmen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ultraschall-Messvorrichtung zur
Bestimmung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen, die ein Fluid in einer Leitung durchlaufen,
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer Ultraschall-Messvorrichtung zur
Bestimmung der Laufzeitdifferenz, ausgestaltet als Klemmvorrichtung,
Fig. 3: eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 4: ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen einem
Streuparameter und dem Anteil einer dispersen Gasphase in einem Fluid zeigt, und
Fig. 5: wie Fig. 3, jedoch für eine Variante des Ausführungsbeispiels.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem in einer Leitung 100 (Fig. 1) strömenden Fluid vorgeschlagen, bei welchem eine Ultraschall-Messvorrichtung 1 verwendet wird zur Ermittlung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen , welche das Fluid in der Leitung 100 durchlaufen.
Mit beispielhaftem Charakter wird in der folgenden Beschreibung auf den Anwendungsfall Bezug genommen, dass die disperse Gasphase aus Gasblasen besteht. Ferner wird auf das Beispiel Bezug genommen, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist. Zudem wird als Beispiel für den Anteil der dispersen Gasphase der Volumenanteil der Gasblasen betrachtet. Als Beispiel wird im Folgenden also die Bestimmung des Volumenanteils von Gasblasen in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder eine wässrige Lösung, betrachtet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern betrifft auch andere Arten von Dispersionen. Im Allgemeinen wird als Dispersion ein Mehrphasensystem bezeichnet, bei welchem nicht gelöste Komponenten, Mengen oder Objekte in einem Medium vorliegen. Die nicht gelösten Komponenten werden üblicherweise als disperse Phase bezeichnet und das Medium als Dispersionsmedium. Dabei sind üblicherweise die nicht gelösten Komponenten der dispersen Phase statistisch in dem Dispersionsmedium verteilt.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist das Dispersionsmedium ein Fluid, also beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas. Die disperse Phase ist eine disperse Gasphase, das heisst, die disperse Phase ist gasförmig. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere für solche Anwendungen geeignet, bei denen das Volumen der dispersen Gasphase höchstens 40% des Gesamtvolumens, also des Volumens der dispersen Gasphase und des Volumens des Dispersionsmediums beträgt.
Mit dem Begriff "Anteil der dispersen Gasphase" ist gemeint, dass eine quantitative Bestimmung der Menge oder des Volumens oder der Masse der dispersen Gasphase in dem Fluid erfolgt, also beispielsweise die Bestimmung eines Volumenprozentanteils oder eines Massenprozentanteils.
Grundsätzlich sind für das erfindungsgemässe Verfahren alle Ultraschall- Messvorrichtungen 1 geeignet, mit denen die Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen in einem Fluid ermittelbar ist, welches durch eine Leitung 100 strömt. Dabei wird ein Messsignal in Strömungsrichtung des Fluids ausgesendet und das andere Messsignal gegen die Strömungsrichtung. Es sind auch solche Ultraschall- Messvorrichtungen 1 geeignet, die selbst die Leitung 100 oder einen Teil der Leitung 100 bilden, also beispielsweise sogenannte Inline Messvorrichtungen, insbesondere solche, wie sie von der Anmelderin unter der Markenbezeichnung LEVI FLOW LFS vertrieben werden.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ultraschall-Messvorrichtung 1 , zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen, die ein Fluiddurchlaufen, das eine Leitung durchströmt. Die Leitung ist mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Im Folgenden wird auf den für die Praxis besonders wichtigen Fall Bezug genommen, dass die Leitung 100 eine flexible Leitung 100 ist, also eine Leitung 100, deren Wandung 101 (Fig. 2) deformierbar ist. Die flexible Leitung 100 ist beispielsweise ein Kunststoffschlauch, der aus einem Silikonkautschuk oder aus PVC besteht. Natürlich kann die Leitung 100 auch aus anderen Materialien, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Kautschuk bestehen. Selbstverständlich ist das erfindungsgemässe Verfahren auch für starre, also nicht flexible Leitungen geeignet.
Das Fluid durchströmt die Leitung 100 in einer Strömungsrichtung A. Für das Aussenden und das Empfangen von Messsignalen 12, 21, welche Ultraschallsignale sind, sind mindestens zwei Ultraschallwandler 11 , 22 vorgesehen, nämlich ein erster Ultraschallwandler 11 und ein zweiter Ultraschallwandler 22. Im Betriebszustand ist der erste Ultraschallwandler 11 lateral auf einer ersten Seite 51 der Leitung 100 angeordnet, und der zweite Ultraschallwandler 22 ist lateral auf einer zweiten Seite 52 der Leitung 100 angeordnet, wobei die zweite Seite 52 der ersten Seite 51 gegenüberliegt. Die Ultraschallwandler 11 , 22 sind derart angeordnet und ausgerichtet, dass der erste Ultraschallwandler 11 ein erstes Messsignal 12 schräg zu der Strömungsrichtung A des Fluids an den zweiten Ultraschallwandler 22 aussenden kann, und ein von dem zweiten Ultraschallwandler 22 schräg zur Strömungsrichtung A ausgesendetes zweites Messsignal 21 empfangen kann.
Die Messsignale 12, 21 sind in Fig. 1 symbolisch jeweils durch gestrichelte gerade Linien mit einer Pfeilspitze dargestellt. Dies ist so zu verstehen, dass die gestrichelte Linie jeweils die Hauptausbreitungsrichtung des von dem entsprechenden Ultraschallwandlers 11 , 22 ausgesendeten Ultraschallsignals angibt und die Pfeilspitze die Richtung, also ob sich das jeweilige Ultraschallsignal auf den jeweiligen Ultraschallwandler 11, 22 zubewegt, also empfangen wird, oder von diesem weg bewegt, also gesendet wird. Die Hauptausbreitungsrichtung steht üblicherweise senkrecht auf der Oberfläche des piezoelektrischen Elements des entsprechenden Ultraschallwandlers 11 bzw. 22. Die Hauptausbreitungsrichtung schliesst mit der Strömungsrichtung A einen Winkel a ein, der von 0° und von 90° verschieden ist.
Bei Ultraschall-Messvorrichtungen 1, die als Inline Messvorrichtungen ausgestaltet sind, ist es häufig so, dass dieser Winkel a gleich 0° bzw. gleich 180° ist, d.h. die Messsignale werden so ausgesendet, dass ihre Hauptausbreitungsrichtung gleich der Strömungsrichtung A ist bzw. genau entgegengesetzt zur Strömungsrichtung A gerichtet ist. Die lässt sich beispielsweise mit U-förmig oder Z-förmig ausgestalteten Ultraschall-Messvorrichtungen realisieren. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ultraschall-Messvorrichtung 1 wird zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz beispielsweise wie folgt vorgegangen. Der erste Ultraschallwandler 11 sendet ein erstes Messsignal 12 aus, wobei das erste Messsignal 12 schräg unter dem Winkel a zur Strömungsrichtung A und mit der Strömungsrichtung A ausgesendet wird, womit gemeint ist, dass die Hauptausbreitungsrichtung des ersten Messsignals 12 auch eine Komponente in Strömungsrichtung A hat. Der zweite Ultraschallwandler 22 sendet ein zweites Messsignal 21 aus, wobei das zweite Messsignal 21 schräg unter dem Winkel a zur Strömungsrichtung A und gegen die Strömungsrichtung A ausgesendet wird, womit gemeint ist, dass die Hauptausbreitungsrichtung des zweiten Messsignals 21 auch eine Komponente entgegen der Strömungsrichtung A hat
Das erste Messsignal 12 wird von dem zweiten Ultraschallwandlern 22 nach Durchlaufen des Fluids empfangen und über eine Signalleitung 22a an eine Speicher- und Auswerteeinheit 20 übermittelt. Das zweite Messsignal 21 wird von dem ersten Ultraschallwandlern 11 nach Durchlaufen des Fluids empfangen und über eine Signalleitung 11a an die Speicher- und Auswerteeinheit 20 übermittelt.
In der Speicher- und Auswerteeinheit 20 wird die Laufzeitdifferenz ermittelt zwischen dem ersten Messsignal 12, welches durch das strömende Fluid beschleunigt wurde, und dem zweiten Messsignal 21 , welches durch das strömende Fluid verlangsamt wurde. Diese Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal 12 und dem zweiten Messsignal 21 ist direkt abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung 100. Somit kann aus der Laufzeitdifferenz beispielsweise auch die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Durchfluss des Fluids durch die Leitung 100 ermittelt werden.
Häufig ist es auch so, dass in der Ultraschallmessvorrichtung 1 mindestens vier Ultraschallwandler 11 , 22 zum jeweiligen Aussenden und Empfangen von Ultraschallsignalen vorgesehen sind, nämlich mindestens zwei der ersten Ultraschallwandler 11 , welche lateral auf der ersten Seite 51 angeordnet sind, und mindestens zwei der zweiten Ultraschallwandler 22, welche lateral auf der zweiten Seite 52 angeordnet sind. Die Ultraschallwandler 11, 22 sind dann derart angeordnet und ausgerichtet, dass jeweils einer der ersten Ultraschallwandler 11 ein erstes Messsignal 12 schräg zur und mit der Strömungsrichtung A an einen der zweiten Ultraschallwandler 22 aussenden kann, und ein von diesem zweiten Ultraschallwandler 22 schräg zur und entgegen der Strömungsrichtung A ausgesendetes zweites Messsignal 21 empfangen kann. Die vier Ultraschallwandler 11, 12 sind dann beispielsweise in Form eines X angeordnet. Eine derartige Anordnung der Ultraschallwandler 11 , 22 ist beispielsweise in der EP 3489 634 A1 offenbart. Bei dieser Anordnung mit vier Ultraschallwandlern ist es vorteilhaft, dass sowohl in Strömungsrichtung A als auch entgegen der Strömungsrichtung A jeweils zwei voneinander unabhängige Messungen erfolgen, wodurch sich die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit beispielsweise bei der Bestimmung des Durchflusses deutlich erhöhen.
Besonders bevorzugt ist die Ultraschall-Messvorrichtung 1 als Klemmvorrichtung ausgestaltet, sodass die Leitung 100 in der Ultraschall-Messvorrichtung 1 eingeklemmt werden kann. Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform einer Ultraschall-Messvorrichtung 1 zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen, die als Klemmvorrichtung ausgestaltet ist.
Die Ultraschall-Messvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 4. Die Ultraschall- Messvorrichtung 1 ist als Klemmvorrichtung für eine Klemmverbindung mit der Leitung 100 ausgestaltet, d.h. das Gehäuse 4 der Ultraschall-Messvorrichtung 1 kann auf die Leitung 100 geklemmt werden, derart, dass die Leitung 100 bezüglich des Gehäuses 4 fixiert ist. Die prinzipielle Ausgestaltung der Ultraschall- Messvorrichtung 1 mit dem Gehäuses 4 ist an sich bekannt, beispielsweise aus der EP 3 489634 A1. Auch in der EP 3 816 590 A1 wird eine Ultraschall-
Messvorrichtung 1 offenbart, die als Klemmvorrichtung zur lösbaren Befestigung an der Leitung 100 ausgestaltet und für das erfindungsgemässe Verfahren geeignet ist.
Das Gehäuse 4 ist als schliessbares Gehäuse 4 ausgestaltet und umfasst ein erstes Gehäuseteil 41 sowie ein zweites Gehäuseteil 42, welche über ein Gelenk 43 gelenkig miteinander verbunden sind. Fig. 2 zeigt das Gehäuse 4 im geöffneten Zustand. Das Gehäuse 4 weist ferner eine durchgängige zentrale Ausnehmung 3 auf, welche sich durch das gesamte Gehäuse 4 erstreckt und zur Aufnahme der Leitung 100 dient. Die Längserstreckung der zentralen Ausnehmung 3 legt die Strömungsrichtung A fest, in welcher das Fluid die Leitung 100 bzw. das Gehäuse 4 durchströmt.
Das Gehäuse 4 weist ferner einen Verschlussmechanismus 44 auf, um das Gehäuse
4 zu verschliessen und damit die Leitung 100 in der zentralen Ausnehmung 3 einzuklemmen. Der Verschlussmechanismus 44 ist hier am ersten Gehäuseteil 41 angeordnet und umfasst einen Bügel 46 sowie eine klappbare Lasche 45 zum Spannen des Bügels 46. Die Leitung 100 wird in die zentrale Ausnehmung 3 eingelegt, anschliessend werden die beiden Gehäuseteile 41, 42 zusammengeklappt, d.h. das erste Gehäuseteil 41 wird über die Leitung 100 geklappt. Der Bügel 46 wird in Eingriff mir einem Vorsprung 47 am zweiten Gehäuseteil 42 gebracht, und durch Betätigen der Lasche 45 werden die beiden Gehäuseteile 41 , 42 miteinander verspannt. Das Gehäuse 4 ist dann in seinem geschlossenen Zustand, in welchem die Leitung 100 in der zentralen Ausnehmung 3 eingeklemmt und somit bezüglich des Gehäuses 4 fixiert ist.
Im geschlossenen Zustand des Gehäuses 1 ist die Leitung 100 somit zwischen der ersten Seite 51 und der zweiten Seite 52 fixiert, welche sich bezüglich der zentralen Ausnehmung 3 gegenüberliegen.
Am Gehäuse 4 kann ferner ein Markierungselement (nicht dargestellt) vorgesehen sein, beispielsweise ein Pfeil, welches die Strömungsrichtung festlegt, in welcher das Fluid die Ultraschall-Messvorrichtung 1 durchströmen soll.
Die zentrale Ausnehmung 3 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie im geschlossenen Zustand des Gehäuses 4 senkrecht zur Strömungsrichtung A einen im Wesentlichen rechteckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt aufweist. Dies hat den Vorteil, dass Ultraschallmesssignale, mit welchen die Leitung 100 beaufschlagt wird, auf planare, d.h. nicht gekrümmte, Oberflächen treffen, wodurch sich die Detektion und die Auswertung der Messsignale 12, 21 stark vereinfacht und die Genauigkeit der Messung erhöht wird.
Es sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen die zentrale Ausnehmung derart ausgestaltet ist, dass sie im geschlossenen Zustand des Gehäuses senkrecht zur Strömungsrichtung A einen anderen polygonalen Querschnitt, beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt aufweist. Ferner sind Ausführungsformen bekannt, bei denen dieser Querschnitt kreisförmig oder oval ist. Bei solchen Ausführungsformen werden dann häufig akustische Linsen zum Aussenden und/oder zum Empfangen der Messsignale verwendet.
Die Ultraschallwandler 11, 22, die in Fig. 2 nicht dargestellt sind, sind in dem Gehäuse 4, nämlich auf der ersten Seite 51 bzw. auf der zweiten Seite 52, vorgesehen. Der oder die erste(n) Ultraschallwandler 11 ist/sind auf der ersten Seite 51 angeordnet, und der oder die zweiten Ultraschallwandler 22 ist/sind auf der zweiten Seite 52 angeordnet.
Jeder der Ultraschallwandler 11 , 22 ist über jeweils eine der Signalleitungen 11a, 22a (Fig. 1) mit der Speicher- und Auswerteeinheit 20 signalverbunden. Die Signalleitungen 11a, 22a sowie die Speicher- und Auswerteeinheit 20 sind in Fig. 2 nicht dargestellt. Über die jeweilige Signalleitung 11a, 22a werden die Ultraschallwandler 11 , 22 zum Aussenden von Ultraschallsignalen angesteuert, und übermitteln die jeweils empfangenen Messsignale 12, 21 an die Speicher- und Auswerteeinheit 20. In der Speicher- und Auswerteeinheit 20 werden die empfangenen Messsignale 12 und 21 analysiert, und es wird jeweils die Laufzeitdifferenz zwischen einem der ersten Messsignale 11 und einem der zweiten Messsignale 21 ermittelt. Ferner ist es möglich, aus den ermittelten Laufzeitdifferenzen den Durchfluss des Fluids durch die Leitung 100 zu bestimmen.
Die Ultraschallwandler 11, 22 können in jeder an sich bekannten Art ausgestaltet sein, insbesondere als piezoelektrische Wandler. Die Frequenz der Ultraschallsignale liegt typischerweise im Megahertz-Bereich, beispielsweise im Bereich von 1 MHz bis 30 MHz.
Die vorangehende Beschreibung der Ultraschall-Messvorrichtungen 1 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Für das erfindungsgemässe Verfahren ist jede Ultraschall- Messvorrichtung geeignet, welche zur Ermittlung der Laufzeitdifferenz zwischen einem mit der Strömungsrichtung A ausgesendeten Messsignal und einem gegen die Strömungsrichtung A ausgesendeten Messsignals ausgestaltet bzw. geeignet ist.
Fig. 3 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase, die in diesem Beispiel aus Gasblasen besteht, in dem Fluid, das hier eine Flüssigkeit ist, wobei das Fluid die Leitung 100 durchströmt.
Mithilfe der Ultraschall-Messvorrichtung 1 wird eine Mehrzahl von Einzelwerten für die Laufzeitdifferenz zwischen jeweils einem ersten Messsignal 12 und einem zweiten Messsignal 21 ermittelt. Diese Einzelwerte werden in Fig. 3 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen E dargestellt. Jeder Einzelwert E wird in einem Speichermodul 25 der Speicher- und Auswerteeinheit 20 gespeichert. Das Speichermodul 25 ist beispielsweise als FIFO Speicher ausgestaltet (FIFO: First in - First out). Die gespeicherten Einzelwerte E werden in dem Speichermodul 25 gesammelt und mittels eines Analyseverfahrens ausgewertet. Das Analyseverfahren bedient sich vorzugsweise statistischer oder stochastischer Methoden, um aus der Mehrzahl von Einzelwerten E den Anteil der dispersen Phase, hier also der Gasblasen, in dem Fluid zu ermitteln, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben wird.
Vorzugsweise wird die Ermittlung des Anteils der dispersen Phase in regelmässigen Abständen oder kontinuierlich aktualisiert. Mit "kontinuierlich aktualisiert" ist dabei gemeint, dass mit jedem neuen Einzelwert E für die Laufzeitdifferenz, welcher dem Speichermodul übermittelt wird, die Auswertung erneut durchgeführt und damit die Bestimmung des Anteils der dispersen Phase aktualisiert wird.
Aus den Einzelwerten E für die Laufzeitdifferenz wird ein Mittelwert MW für die Laufzeitdifferenz bestimmt. Vorzugsweise ist der Mittelwert MW der statistische Mittelwert MW oder das arithmetische Mittel, also die Summe aus n Einzelwerten E dividiert durch die Anzahl n der Einzelwerte, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Eine für die Erfindung wesentliche Erkenntnis ist es, dass die Fluktuationen der Einzelwerte E um den Mittelwert MW für einen konstanten Mittelwert MW in sehr gut reproduzierbarer Weise von dem Anteil der dispersen Gasphase in dem Fluid abhängen. Die statistischen Schwankungen der Einzelwerte E um den Mittelwert MW, also das "Rauschen" der Laufzeitdifferenz (oder auch des Durchflusses), um den Mittelwert MW lassen sich somit für eine zuverlässige Bestimmung des Anteils der dispersen Gasphase in dem Fluid nutzen.
Daher wird aus den Einzelwerten E ferner ein Streuparameter SP ermittelt, welcher charakteristisch ist für die Streuung der Einzelwerte E um den Mittelwert MW. Als Streuparameter beispielsweise geeignet sind die Varianz der Einzelwerte E, oder die empirische Varianz oder die Standardabweichung oder die empirische Standardabweichung der Einzelwerte E vom Mittelwert MW. Üblicherweise ist die Standardabweichung die Quadratwurzel aus der Varianz. Die (empirische) Varianz ist die Summe der quadratischen Abweichung der n Einzelwerte E vom Mittelwert MW dividiert durch die Anzahl n der Einzelwerte E oder dividiert durch die Anzahl (n- 1) der Freiheitsgrade. Dabei ist n eine beliebige natürliche Zahl, welche die Anzahl der Einzelwerte E angibt. Es ist auch möglich, jeweils aus einer vorgebbaren Anzahl von Einzelwerten E einen gemittelten Einzelwert zu bestimmen, und dann diese gemittelten Einzelwerte für die weitere Analyse zu verwenden, also insbesondere auch für die Bestimmung des Mittelwerts MW.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Streuparameter SP die folgendermassen definierte Varianz SP verwendet:
Figure imgf000020_0001
wobei Ej den i-ten Einzelwert E (bzw. den i-ten gemittelten Einzelwert) bezeichnet und n die Anzahl der Einzelwerte E. Natürlich kann auch die Quadratwurzel aus der Varianz SP als Streuparameter verwendet werden. Diese wird üblicherweise als (empirische) Standardabweichung bezeichnet.
Für einen konstanten Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz (oder auch des Durchflusses) wird die Änderung des Streuparameters SP (hier also der Varianz SP) in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase durch eine lineare Bestimmungsfunktion F beschrieben, die ein linearer Zusammenhang der folgenden Form ist:
SP = m - DP + t wobei DP den Anteil der dispersen Gasphase in dem Fluid angibt, hier also beispielsweise den Volumenanteil der Gasblasen in der Flüssigkeit, und wobei m und t zwei Linearkoeffizienten sind, durch welche für einen gegebenen und konstanten Mittelwert MW die lineare Bestimmungsfunktion F festgelegt ist. Auf die Bestimmung der Linearkoeffizienten m und t für einen konstanten Mittelwert MW wird weiter hinten noch eingegangen.
Mithilfe der linearen Bestimmungsfunktion F lässt sich also der Anteil der dispersen Gasphase DP wie folgt berechnen:
(SP - 1) DP = - m Wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, werden aus den Einzelwerten E, welche im Speichermodul 25 gespeichert sind, der Mittelwert MW und der Streuparameter SP, hier also die Varianz SP, ermittelt. Für den spezifischen Mittelwert MW werden die beiden Linearkoeffizienten m und t ermittelt. Somit ist für diesen spezifischen Mittelwert MW die lineare Bestimmungsfunktion F bekannt und damit die Änderung des Streuparameters SP in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase DP. Der Anteil der dispersen Phase DP kann dann berechnet werden als DP = (SP- t)/m.
Somit ermöglicht das erfindungsgemässe Verfahren eine quantitative Aussage über die disperse Gasphase in dem Fluid.
Die beiden Linearkoeffizienten m und t, die für einen vorgebbaren und konstanten Mittelwert MW die lineare Bestimmungsfunktion F festlegen, können beispielsweise in einer Lookup-Tabelle in der Speicher- und Auswerteeinheit 20 für verschiedene Mittelwerte MW gespeichert sein. Auch ist es möglich, die Linearkoeffizienten m, t jeweils durch einen funktionalen Zusammenhang zu beschreiben, dessen Variable der Mittelwert MW ist. Dieser funktionale Zusammenhang kann für jeden der Linearkoeffizienten m, t jeweils eine Polynomfunktion sein, deren Variable der Mittelwert MW ist.
Vorzugsweise werden die Linearkoeffizienten m, t für die jeweilige Ultraschall- Messvorrichtung 1 empirisch bzw. messtechnisch, beispielsweise durch Kalibrierungsmessungen, ermittelt. Hierzu kann wie folgt vorgegangen werden.
Mittels der Ultraschall-Messvorrichtung 1 wird an einem Kalibrierungsfluid für verschiedene Anteile der dispersen Gasphase DP jeweils der Mittelwert MW für die Laufzeitdifferenz und der Streuparameter SP, hier also die Varianz SP gemessen. Das Kalibrierungsfluid hat einen vorgebbaren Anteil der dispersen Phase DP. Dies kann beispielsweise derart realisiert werden, dass der in der Leitung 100 strömenden Flüssigkeit, z.B. Wasser, ein vorgebbarer Volumenanteil eines Gases, z.B. Luft beigemischt wird. An diesem Fluid, also beispielsweise Wasser mit den darin enthaltenen Gasblasen, wird dann mittels der Ultraschall-Messvorrichtung 1 der Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz und die Varianz SP, also die Streuung der Einzelwerte E um den Mittelwert MW, bestimmt. Bei konstant gehaltenem Volumenanteil des Gases wird dann der Durchfluss in mehreren Schritten erhöht, beispielsweise von null auf einen Wert von 10 Liter pro Minute. Es wird jeweils der Mittelwert MW und die Varianz SP bestimmt. Diese Kalibrierungsmessung wird für verschiedene Werte des Anteils der dispersen Gasphase DP, also hier der Gasblasen wiederholt, beispielsweise für Volumenanteile der Gasblasen von 0%, 0.5%, 3% und 6%, um nur ein Beispiel zu nennen.
Aus diesen Kalibrierungsmessungen erhält man eine Kurvenschar, wie sie mit beispielhaftem Charakter in dem Diagramm in Fig. 4 dargestellt ist. Auf der horizontalen Achse ist der Anteil der dispersen Phase DP, hier also der Volumenanteil der Gasblasen in der Flüssigkeit aufgetragen, auf der vertikalen Achse ist der Streuparameter SP, hier also die Varianz aufgetragen. In Fig. 4 sind drei Kurven MW1 , MW2, MW3 dargestellt. Jede der Kurven MW1 , MW2 und MW3 gehört zu einem konstanten Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz. Die Kurve MW1 gehört zu dem kleinsten Wert des konstanten Mittelwerts MW für die Laufzeitdifferenz, die Kurve MW3 zu dem grössten Mittelwert MW für die Laufzeitdifferenz, und die Kurve MW2 zu einem mittleren Wert für die Laufzeitdifferenz. Es ist gut zu erkennen, dass für einen konstanten Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz der Zusammenhang zwischen der Varianz SP und dem Anteil der dispersen Phase DP in sehr guter Näherung ein linearer Zusammenhang ist, der folglich durch die lineare Bestimmungsfunktion F beschrieben werden kann:
SP = m - DP + t
In der Praxis ist es oft vorteilhaft, wenn man deutlich mehr als die in Fig. 4 beispielhaft dargestellten drei Kurven MW1, MW2, MW3 ermittelt, also für eine grössere Zahl von jeweils konstanten Durchflüssen - und damit konstanten Laufzeitdifferenzen - den Zusammenhang zwischen dem Streuparameter SP (hier also der Varianz SP) und dem Anteil der dispersen Phase DP, hier also dem Volumenanteil der Gasblasen, ermittelt. Beispielsweise kann dieser Zusammenhang für zwanzig oder noch mehr jeweils konstante Mittelwerte MW der Laufzeitdifferenz oder - was sinngemäss das Gleiche ist -des Durchflusses ermittelt werden.
Aus jeder der Kurven MW1 , MW2, MW3 und gegebenenfalls weiteren in Fig. 4 nicht dargestellten Kurven kann dann jeweils ein Wert für jeden der beiden Linearkoeffizienten m und t bestimmt werden. Im Idealfall würde man erwarten, dass jede der Kurven MW1, MW2, MW3 durch den Nullpunkt des Koordinatensystems geht, also zu dem Anteil der dispersen Phase DP von null der Wert null für den Streuparameter SP gehört. In der Praxis hat es sich aber gezeigt, dass die Bestimmung des Anteils der dispersen Phase DP genauer wird, wenn man für den Linearkoeffizienten einen von null verschiedenen Wert zulässt.
Die Gesamtheit der Linearkoeffizienten m wird nun durch eine Polynomfunktion approximiert, deren Variable der Mittelwert MW für die Laufzeitdifferenz ist. Ferner wird die Gesamtheit der Linearkoeffizienten t durch eine Polynomfunktion approximiert, deren Variable der Mittelwert MW für die Laufzeitdifferenz ist. Selbstverständlich sind auch andere Funktionen für diese Approximation geeignet.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird für die Bestimmung jedes der Linearkoeffizienten m, t jeweils ein Polynom vierten Grades verwendet. Die Linearkoeffizienten m, t werden also anhand der folgenden Polynomfunktionen approximiert: ym = a,MW4 + a2MW3 + a3MW2 + a4MW + a5 yt = brMW4 + Ö2MV/3 + b3MW2 + b MW + ö5 mit den Entwicklungskoeffizienten ai , a2, as, a4, as und bi , b2, bs, b4, bs, die in der Regel von dem spezifischen Ultraschall-Messvorrichtung 1 oder der Geometrie der Leitung 100, beispielsweise ihrem Aussen- und/oder Innendurchmesser, abhängen.
Natürlich können die Linearkoeffizienten m, t auch durch Polynomfunktionen eines anderen Grades beschrieben werden. Ferner ist es möglich für die Bestimmung des Linearkoeffizienten m und für die Bestimmung des Linearkoeffizienten t zwei Polynome zu verwenden, die einen unterschiedlichen Grad haben.
Mithilfe der Polynomfunktionen ym und yt lassen sich dann, wie dies auch in Fig. 3 dargestellt ist, für jeden Wert des Mittelwerts MW der Laufzeitdifferenz die zugehörigen Linearkoeffizienten m, t bestimmen, mit denen dann jeweils die lineare Bestimmungsfunktion F berechnet werden kann.
Somit ist für jeden Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal 12 und dem zweiten Messsignal 21 aus dem Streuparameter SP der Anteil der dispersen Phase DP in dem in der Leitung 100 strömenden Fluid ermittelbar. Die Reaktionszeit des gesamten Systems mit der Ultraschall-Messvorrichtung 1 und der von dem Fluid durchströmten Leitung 100 lässt sich insbesondere durch die Ausgestaltung des Speichermoduls 25 beeinflussen. Die Grösse bzw. die Speicherkapazität des beispielsweise als FIFO Speicher ausgestalteten Speichermodul 25 beeinflusst zusammen mit der Messfrequenz, mit welcher die Einzelwerte E gemessen werden, die Reaktionszeit des gesamten Systems, weil üblicherweise in dem Speichermodul 25 zunächst eine Mehrzahl von Einzelwerten E gesammelt wird, um daraus den Mittelwert MW und den Streuparameter SP zu bestimmen.
Ist in einem Anwendungsfall eine kurze Reaktionszeit gewünscht, ist es vorteilhaft, das Speichermodul 25 mit einer kleinen Kapazität auszugestalten. Wird hingegen bei einem Anwendungsfall auf eine höhere Stabilität der Bestimmung Wert gelegt, so ist es vorteilhaft, das Speichermodul 25 mit einer grösseren Kapazität auszugestalten.
Fig. 5 zeigt in einer zu Fig. 3 analogen Darstellung eine Variante des vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiels. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede der Variante im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 eingegangen. Gleiche Komponenten oder von der Funktion her gleichwertige Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie bei dem Ausführungsbeispiel. Es versteht sich, dass alle vorangehenden Erläuterungen in gleicher Weise oder in sinngemäss gleicher Weise auch für die Variante gemäss Fig. 5 gelten.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante wird zunächst - beispielsweise wie vorangehend beschrieben - der Anteil der dispersen Phase DP bestimmt. Aus diesem Anteil der dispersen Phase DP wird dann durch Anwendung eines Glättungsfaktors G ein modifizierter Anteil der dispersen Phase DM ermittelt.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass bei einigen Anwendungsfällen und insbesondere bei kleinen Werten für den Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz und damit bei kleinen Werten des Durchflusses durch die Leitung 100 die Bestimmung des Anteils der dispersen Phase DP verbessert werden kann, indem auf den ermittelten Wert für den Anteil der dispersen Phase DP der Glättungsfaktor G angewendet wird. Vorzugsweise ergibt sich der modifizierte Anteil der dispersen Phase DM durch Multiplikation des Anteils der dispersen Phase DP mit dem Glättungsfaktor G. Es ist also: DM = G ■ DP
Durch den Glättungsfaktor G lässt sich beispielsweise berücksichtigen, dass bei schwachen Strömungen, also bei kleinen Mittelwerten MW für die Laufzeitdifferenz bzw. für den Durchfluss, der statistische Charakter der Verteilung der Gasblasen als disperse Phase zumindest teilweise verloren geht, beispielsweise aufgrund des Auftriebs oder aufgrund der Strömungsverhältnisse. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Anwendung des Glättungsfaktors G insbesondere dann vorteilhaft sein kann, wenn die Strömung durch die Leitung 100 kleiner ist als das Fünffache der kritischen Reynoldszahl.
Die Bestimmung des Glättungsfaktors G erfolgt auch anhand solcher Kurven MW1 , MW2, MW3, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, die also jeweils für eine konstanten Mittelwert MW der Laufzeitdifferenz die Änderung des Streuparameters SP, hier als der Varianz SP, in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase DP wiedergeben. Für die Berechnung des Glättungsfaktors G kann beispielsweise eine Polynomfunktion verwendet werden, z.B. eine Polynomfunktion yc sechsten Grades mit yG = C1MW6 + C2MW5 + c3MW4 + c4MW3 + C5MW2 + c6MW + c7 mit den Entwicklungskoeffizienten Ci , C2, C3, C4, C5, Ce, C7, die in der Regel von der spezifischen Ultraschall-Messvorrichtung 1 oder der Geometrie der Leitung 100, beispielsweise ihrem Aussen- und/oder Innendurchmesser, abhängen.
Nachdem die Entwicklungskoeffizienten Ci bis c? bestimmt worden sind, ergibt sich der Glättungsfaktor G für einen spezifischen Mittelwert MWs der Laufzeitdifferenz, indem die Funktion yc an dieser Stelle MWs berechnet wird. Es ist also
GCMWs) = yc MWs)
Je nach speziellem Anwendungsfall können auch andere Funktionstypen als eine Polynomfunktion für die Berechnung des Glättungsfaktors herangezogen werden, beispielsweise eine Hyperbel der Form:
1 yG — 1 H -
76 di ■ MW Mit dem Koeffizienten di , der dann anhand von Kurven, wie sie in Fig. 4 dargestellt sind, bestimmt wird.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante wird also zusätzlich der Glättungsfaktor G bestimmt, und der berechnete Anteil der dispersen Gasphase DP (hier also der Anteil der Gasblasen) wird mit dem Glättungsfaktor G multipliziert, um so den modifizierten Anteil der dispersen Phase DM zu erhalten, der ein quantitatives Mass dafür ist, wieviel des Fluids aus der dispersen Phase besteht, hier also wie gross der Volumenanteil der Gasblasen in der Flüssigkeit ist.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann also eine genaue quantitative Information zum Anteil der dispersen Phase DP, DM, also beispielsweise zum Gasanteil in einem Fluid, z. B. einer Flüssigkeit, ermittelt werden. Diese Information lässt sich verwenden, um Prozesse zu erweitern oder zu verbessern. Ebenso wie die Erhöhung der Genauigkeit eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Automatisierung.
Hierzu seien Beispiele erwähnt:
Falls beispielsweise bei einem Umfüllprozess eines fluiden Mediums, z.B. einer Flüssigkeit, eine Gasphase, also beispielsweise Gasblasen, nicht vermieden werden kann, aber die Menge des umgefüllten Mediums eine Rolle spielt, kann der quantitative Gasanteil aus dem umgefüllten Volumen herausgerechnet werden.
An sich bekannte Durchflussmessgeräte aus dem Stand der Technik bieten oft auch einen so genannten Volumencounter an. Dabei wird auf Basis der Zeit und des Durchflusses das geförderte Volumen errechnet. Im Fehlerfall, wenn also beispielsweise während der Messung das Vorhandensein von Gasblasen detektiert wird, erscheint bestenfalls ein Hinweis, dass Blasen währen der Messung detektiert worden sind. Wieviel das mittels des Volumencounters ermittelte Volumen von dem tatsächlichen Volumen abweicht, oder wie viele Gasblasen erkannt wurden, bleibt bei diesen Durchflussmessgeräten unbekannt.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es realisierbar, dass das System, welches das Durchflussmessgerät umfasst, aufgrund der nun möglichen quantitativen Bestimmung des Gasanteils selbst eine Korrektur durchführt, um so das tatsächliche Volumen, also das Volumen ohne den Anteil der Gasblasen zu ermitteln. Dazu kann beispielsweise mithilfe des Anteils der dispersen Phase, hier also der Gasblasen, ein korrigierter Mittelwert für den Durchfluss des Fluids durch die Leitung 100 bestimmt werden. Dieser korrigierte Mittelwert berücksichtigt dann den Einfluss der dispersen Phase, hier also der Gasblasen, auf die Ermittlung des Durchflusses. Aus diesem korrigierten Mittelwert für den Durchfluss kann dann das Volumen der reinen Flüssigkeit, also ohne das Volumen der Gasblasen, ermittelt werden.
Ist es beispielsweise in einem Prozess notwendig, dass ein vorgebbares Zielvolumen eines Mediums erreicht wird, so kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren quantitativ der Anteil der dispersen Phase, z.B. der Gasblasen ermittelt werden, die natürlich nicht zum vorgegebenen Zielvolumen beitragen sollen. Durch entsprechende Korrekturen, beispielsweise eine Rückmeldung an eine Pumpe oder ein Ventil oder eine Kontroll- und Steuereinheit, kann dann der Prozess so lange weiterlaufen, bis tatsächlich das vorgebbare Zielvolumen erreicht ist.
Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemässe Verfahren mit allen Ultraschall- Messvorrichtungen 1 durchführbar, welche zur Ermittlung des Durchflusses eines Fluids geeignet sind.
Da es das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht, eine quantitative Information über eine disperse Phase in einem Fluid zu ermitteln, kann es beispielsweise auch für Schwellwertschalter, Endschalter oder Detektoren verwendet werden, und insbesondere auch in Kombination mit bereits vorhandener Mess- oder Analysetechnik.
In nicht abschliessender Aufzählung werden noch einige Anwendungen genannt, für welche das erfindungsgemässe Verfahren besonders geeignet ist:
- zur Überwachung der Reinheit von flüssigen oder gasförmigen Endprodukten oder Medikamenten in der Pharmaindustrie,
- zur Überwachung der Luftversorgung von Reinräumen, beispielsweise in der Halbleiterindustrie,
- zur Kontrolle bei Abfüllprozessen für Endprodukte, beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder in der biotechnologischen Industrie, - zur Überwachung in der Medizintechnik bei der Rückführung von Blut zum Patienten, um Embolien zu vermeiden, beispielsweise bei Verwendung einer Herz- Lungen-Maschine,
- in der Automobilindustrie, beispielsweise für Treibstoffwächter oder zur Überwachung von Bremsflüssigkeiten,
- zur Überwachung oder Messung des Kavitationsgrades in der Pumpentechnologie.

Claims

Figure imgf000029_0001
Verfahren zum Bestimmen des Anteils einer dispersen Gasphase in einem in einer Leitung in einer Strömungsrichtung strömenden Fluid mithilfe von Ultraschall, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Ultraschall-Messvorrichtung (1), welche zur Ermittlung einer Laufzeitdifferenz zwischen zwei Messsignalen ausgestaltet ist, die das Fluid in der Leitung (100) durchlaufen, b) Aussenden und Empfangen eines ersten Messsignals (12) mithilfe der Ultraschall-Messvorrichtung (1), wobei das erste Messsignal (12) mit der Strömungsrichtung (A) ausgesendet wird, c) Aussenden und Empfangen eines zweiten Messsignals (21) mithilfe der Ultraschall-Messvorrichtung (1), wobei das zweite Messsignal (21) gegen die Strömungsrichtung (A) ausgesendet wird, d) Übermitteln der Messsignale (12, 21) an eine Speicher- und Auswerteeinheit (20), e) Bestimmen eines Einzelwerts (E) für die Laufzeitdifferenz zwischen dem ersten Messsignal (12) und dem zweiten Messsignal (21), f) Bestimmen einer Mehrzahl von Einzelwerten für die Laufzeitdifferenz durch Wiederholen der Schritte b) bis e), g) Bestimmen eines Mittelwertes (MW) für die Laufzeitdifferenz aus den Einzelwerten (E) für die Laufzeitdifferenz, h) Bestimmen eines Streuparameters (SP), welcher charakteristisch ist für die Streuung der Einzelwerte (E), i) Bereitstellen eines Zusammenhangs zwischen dem Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz und der Änderung des Streuparameters (SP) in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase (DP), j) Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase (DP) aus dem Streuparameter (SP) und dem genannten Zusammenhang, wobei optional die Einzelwerte (E) für die Laufzeitdifferenz oder ein Mittelwert über mehrere Einzelwerte (E) in Einzelwerte (E) für den Durchfluss des Fluids oder in einen Mittelwert für den Durchfluss transformiert werden, und die Schritte h) und i) mit den Einzelwerten (E) für den Durchfluss oder dem Mittelwert für den Durchfluss durchgeführt werden. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für das Aussenden und das Empfangen der Messsignale (12, 21) mindestens ein erster Ultraschallwandler (11) vorgesehen ist, welcher im Betriebszustand lateral auf einer ersten Seite (51) der Leitung (100) angeordnet ist, und mindestens ein zweiter Ultraschallwandler (22), welcher im Betriebszustand lateral auf einer zweiten Seite (52) der Leitung (100) angeordnet ist, wobei die zweite Seite (52) der ersten Seite (51) gegenüberliegt, wobei die Ultraschallwandler (11, 22) derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass der erste Ultraschallwandler (11) das erste Messsignal (12) schräg zu der Strömungsrichtung (A) des Fluids an den zweiten Ultraschallwandler (22) aussenden kann, und das von dem zweiten Ultraschallwandler (22) schräg zur Strömungsrichtung (A) ausgesendete zweite Messsignal (21) empfangen kann. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den ersten Messsignalen (12) und den zweiten Messsignalen (21) der Durchfluss des Fluids durch die Leitung (100) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Ultraschall-Messvorrichtung (1) als Klemmvorrichtung ausgestaltet ist, und die Leitung (100) in der Ultraschall-Messvorrichtung (1) eingeklemmt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Ermittlung des Anteils der dispersen Gasphase (DP) in regelmässigen Abständen oder kontinuierlich aktualisiert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, bei welchem mithilfe des Anteils der dispersen Phase (DP) ein korrigierter Mittelwert für den Durchfluss bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der korrigierte Mittelwert den Durchfluss des Fluids ohne die disperse Gasphase angibt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Streuparameter (SP) die Varianz der Einzelwerte (E) bezüglich des Mittelwerts (MW) ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Änderung des Streuparameters (SP) in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase (DP) bei einem konstanten Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz durch eine lineare Bestimmungsfunktion (F) beschrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die lineare Bestimmungsfunktion (F) durch zwei Linearkoeffizienten (m, t) festgelegt wird, wobei jeder Linearkoeffizient (m, t) anhand einer Polynomfunktion bestimmt wird, deren Variable der Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz ist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Änderung des Streuparameters (SP) in Abhängigkeit von dem Anteil der dispersen Gasphase (DP) bei einem konstanten Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz in einer Lookup-Tabelle in der Speicher- und Auswerteeinheit (20) gespeichert ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zunächst der Anteil der dispersen Gasphase (DP) ermittelt wird, und aus diesem durch Anwendung eines Glättungsfaktors (G) ein modifizierter Anteil der dispersen Gasphase (DM) ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Glättungsfaktor (G) mit einer Polynomfunktion berechnet wird, deren Variable der Mittelwert (MW) für die Laufzeitdifferenz ist.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die disperse Gasphase aus Gasblasen besteht, und bei welchem der Anteil der dispersen Gasphase (DP) der Volumenanteil der Gasblasen in einer Flüssigkeit ist.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem jede Laufzeitdifferenz in einen Wert für den Durchfluss des Fluids durch die Leitung (100) umgerechnet wird und der Anteil der dispersen Gasphase (DP) mittels der Werte für den Durchfluss ermittelt wird.
PCT/EP2023/052780 2022-02-07 2023-02-06 Verfahren zum bestimmen des anteils einer dispersen gasphase in einem fluid WO2023148367A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22155395.1 2022-02-07
EP22155395 2022-02-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023148367A1 true WO2023148367A1 (de) 2023-08-10

Family

ID=80222602

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/052780 WO2023148367A1 (de) 2022-02-07 2023-02-06 Verfahren zum bestimmen des anteils einer dispersen gasphase in einem fluid

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023148367A1 (de)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1081465A2 (de) * 1999-09-01 2001-03-07 Daniel Industries, Inc., Ultraschallapparat für eine Zweiphasenströmung und Schichtpegeldetektor
US20070191990A1 (en) * 2005-08-12 2007-08-16 Hao Duan Flow measurement and control with bubble detection
EP2717026A2 (de) 2012-10-04 2014-04-09 Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussratte eines Fluids und Detektion von Gasbläschen oder Partikeln in dem Fluid
US20160041286A1 (en) * 2013-04-04 2016-02-11 Dipen N. Sinha Methods for measuring properties of multiphase oil-water-gas mixtures
EP3489634A1 (de) 2017-11-22 2019-05-29 Levitronix GmbH Ultraschall-messvorrichtung und verfahren zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid
US20200378811A1 (en) * 2019-05-29 2020-12-03 Texas Instruments Incorporated Gas volume determination in fluid
EP3816590A1 (de) 2018-11-16 2021-05-05 Levitronix GmbH Ultraschall-messvorrichtung zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1081465A2 (de) * 1999-09-01 2001-03-07 Daniel Industries, Inc., Ultraschallapparat für eine Zweiphasenströmung und Schichtpegeldetektor
US20070191990A1 (en) * 2005-08-12 2007-08-16 Hao Duan Flow measurement and control with bubble detection
EP2717026A2 (de) 2012-10-04 2014-04-09 Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussratte eines Fluids und Detektion von Gasbläschen oder Partikeln in dem Fluid
US20160041286A1 (en) * 2013-04-04 2016-02-11 Dipen N. Sinha Methods for measuring properties of multiphase oil-water-gas mixtures
EP3489634A1 (de) 2017-11-22 2019-05-29 Levitronix GmbH Ultraschall-messvorrichtung und verfahren zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid
EP3816590A1 (de) 2018-11-16 2021-05-05 Levitronix GmbH Ultraschall-messvorrichtung zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid
US20200378811A1 (en) * 2019-05-29 2020-12-03 Texas Instruments Incorporated Gas volume determination in fluid

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHENG Y ET AL: "Simultaneous measurement of gas and solid holdups in multiphase systems using ultrasonic technique", CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE, OXFORD, GB, vol. 59, no. 17, 1 September 2004 (2004-09-01), pages 3505 - 3514, XP004523480, ISSN: 0009-2509, DOI: 10.1016/J.CES.2004.05.016 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3489634B1 (de) Ultraschall-messvorrichtung und verfahren zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid
EP3816590B1 (de) Ultraschall-messvorrichtung zur ultraschallmessung an einem strömenden fluid
EP2370793B1 (de) Messsystem zur bestimmung und/oder überwachung des durchflusses eines messmediums durch das messrohr mittels ultraschall
EP2035821B1 (de) Verwendung einer Vorrichtung in einer Anlage zur Erzeugung von Biogas und Verfahren zur Ultraschallbestimmung der Konzentrationen von Komponenten eines Biogasgemisches
EP1516161B1 (de) Verfahren zum bestimmen rheologischer parameter eines fluids
DE112004000269B4 (de) Mehrphasen-Coriolis-Durchflussmessgerät
EP0046965A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen und dichteunabhängigen Bestimmung des Massenstroms
EP2427738B1 (de) Verfahren zum detektieren einer verstopfung in einem coriolis-durchflussmessgerät
WO2018219492A1 (de) Verfahren zur bestimmung des drucks eines fluids
DE2521952A1 (de) Durchflussmesser
CH670513A5 (de)
EP3388794B2 (de) Messvorrichtung zum messen einer durchflussgeschwindigkeit eines fluids
DE102019115215A1 (de) Messgerät zum Bestimmen der Dichte, des Massedurchflusses und/ oder der Viskosität einer mit Gas beladenen Flüssigkeit, Prozessanlage mit einem solchen Messgerät, und Verfahren zum Überwachen einer mit Gas beladenen Flüssigkeit
EP2072972A1 (de) Vorrichtung zum messen der bewegung eines fluids in einem rohr
EP3801276B1 (de) Verfahren zur bestimmung einer strömungsgeschwindigkeit eines durch ein implantiertes, vaskuläres unterstützungssystem strömenden fluids und implantierbares vaskuläres unterstützungssystem
EP3770561A1 (de) Ultraschall-messvorrichtung zur messung an einem strömenden fluid und ultraschall-messsystem
DE3147197C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von Strömungsmessungen an strömenden Medien nach der Ultraschall-Doppler-Methode
DE69836002T2 (de) Akustischer Durchflussmesser
DE3141576A1 (de) "verfahren zur erkennung von gasblasen in einem fluessigen medium und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens"
WO2023148367A1 (de) Verfahren zum bestimmen des anteils einer dispersen gasphase in einem fluid
DE10348083A1 (de) Vorrichtung zur Ankopplung eines auf einer Rohrwand anzubringenden Ultraschall-Clamp-on-Meßkopfes
WO1998040701A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur mengenerfassung bei der milchannahme mit mobilen oder stationären annahmesystemen
WO2018015218A1 (de) Verfahren und anordnung zur ultraschall-clamp-on-durchflussmessung und körper zur realisierung der messung
EP3899451B1 (de) Vibronischer messaufnehmer mit mindestens zwei temperatursensoren
DE19921984C2 (de) Vorrichtung zur Volumenstrommessung nach dem Ultraschall-Laufzeitprinzip

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23702617

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1