DE102007062908A1

DE102007062908A1 - Verfahren und System zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines strömenden Mediums

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Publication number: DE102007062908A1
Application number: DE102007062908A
Authority: DE
Inventors: Mamadi Dr. Keita; Oliver Dr. Popp; Saul Jacobson
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines strömenden Mediums (3), wobei das Medium (3) aus mehreren Komponenten besteht, wobei die Prozessgröße insbesondere eine Konzentration mindestens einer der Komponenten oder die Dichte (rho) des Mediums (3) ist, dass der Volumendurchfluss des Mediums (3) mittels eines ersten Messprinzips gemessen wird, wobei das erste Messprinzip im Wesentlichen unabhängig von der Prozessgröße ist, dass der Volumendurchfluss des Mediums (3) mittels eines zweiten Messprinzips gemessen wird, wobei das zweite Messprinzip zumindest von der Prozessgröße abhängig ist und dass aus mindestens den Messwerten des ersten und des zweiten Messprinzips die Prozessgröße bestimmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines strömenden Mediums, wobei das Medium aus mehreren Komponenten besteht, wobei die Prozessgröße insbesondere eine Konzentration mindestens einer der Komponenten oder die Dichte des Mediums ist. Bevorzugt besteht das durch beispielsweise ein Messrohr strömende Medium aus einem homogenen im Wesentlichen dreikomponentigen oder auf drei Komponenten reduzierbaren Fluid.
Ein typisches solches Medium ist das aus den im Wesentlichen drei Komponenten Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf bestehende Biogas, welches Spuren von Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak enthält. Um die Effektivität einer Biogas-Anlage zu ermitteln und zu überwachen, ist es notwendig, den aktuellen Durchfluss und die aktuelle Konzentration der Komponenten des Biogases zu kennen. So bestimmt bspw. der Gehalt von Methan in dem Gasgemisch den Energiegehalt des Biogases.
Allgemein sind Volumina je nach Stoffeigenschaft unterschiedlich stark von physikalischen Einflüssen wie Druck, Temperatur, Dichte etc. abhängig. Dies gilt vor allem für Gase und Gasgemische. Die Masse eines Stoffes hingegen ist unabhängig von diesen Einflüssen. Für eine Bilanzierung von Stoffmengen sind daher Angaben über die Masse der beförderten Stoffmengen von großer Bedeutung.
Heutzutage kann der Massedurchfluss durch ein Messrohr beispielsweise durch eine Messung des Coriolis-Effekts des Mediums oder durch eine Messung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums direkt bestimmt werden. Massedurchflussmessgeräte dieser Art sind dem Fachmann z. B. aus der internationalen Veröffentlichung WO-A 03/095950 bzw. der Patentschrift DE 10 2005 057 688 und der Veröffentlichung DE 103 93 185 T5 bekannt.
Eine direkte Messung des Massedurchflusses mittels eines modernen Coriolis-Messgerätes ermöglicht zwar neben der Bestimmung des Massedurchflusses u. a. auch eine Messung der Dichte und der Viskosität des Mediums, dies gilt aber nicht für gashaltige oder mehr als zwei Phasen enthaltende Medien.
Allgemein unterliegt das Messsignal der Durchflussmessgeräte bei inhomogenen, insbesondere mehrphasigen oder -komponentigen durch ein Messrohr strömenden Medien nicht reproduzierbaren Schwankungen, sogar dann, wenn der Massedurchfluss im Wesentlichen konstant gehalten wird. Mögliche Gründe sind: ein in die Rohrleitung eingedrungenes Gas, Feststoffpartikel mitführende Fluide oder dass ein in dem Medium gelöster Stoff ausgast und/oder zu Schaumbildung führt.
Thermische Massedurchflussmessungen nutzen die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten vom Massestrom des Mediums durch das Messrohr und gehören zu den direkten Messprinzipien. Eine thermische Massedurchflussmessung ist z. B. zur Messung von strömenden Gasen oder Gasgemischen geeignet. Eine Änderung des Mischungsverhältnisses des Gases oder des Prozessdrucks oder der Prozesstemperatur beeinträchtigt allerdings die Messwerte und liefert falsche Massedurchflussangaben.
Eine andere Methode ist die sog. indirekte Massedurchflussbestimmung. Verbreitet werden zur indirekten Massedurchflussbestimmung Kombinationen von Volumendurchfluss- und Dichtemessgeräten eingesetzt. Durch Messen des Volumendurchflusses Q und der Dichte ρ lässt sich der Massedurchfluss ṁ nach ρ·Q = ṁ und daraus die Masse m des beförderten Stoffes bestimmen. Gemeinhin bekannte Messprinzipien zur Bestimmung des Volumendurchflusses sind z. B. die Ultraschall-, die Vortex- und die magnetisch-induktive Durchflussmessung. Anstelle eines thermischen Durchflussmessgerätes kann zur Messung von Gasgemischen auch ein Vortex-Durchflussmessgerät eingesetzt werden. Allerdings ist der Einsatz auf Anwendungen beschränkt, bei denen ein hoher Durchfluss vorliegt, da Vortex-Durchflussmessgeräte im Bereich kleiner Durchflüsse große Messfehler haben.
Für eine möglichst genaue Bestimmung des Massedurchflusses muss die Zusammensetzung des Mediums hinreichend bekannt sein. Handelt es sich bei dem Medium beispielsweise um ein Gasgemisch, so kann ein Gasanalysator die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmen: Eine Gasprobe wird zwecks Analyse aus dem Gasgemisch entnommen, in den Gasanalysator eingefüllt und dort analysiert. Vor Durchführung einer nachfolgenden Analyse muss der Gasanalysator gereinigt werden. Diese Methode ist aufgrund von Arbeitsaufwand, Anschaffungs- und Betriebskosten allerdings unökonomisch und bietet nicht die Möglichkeit einer fehlerfreien, stetigen Messung des Massedurchflusses bei sich ändernden Prozessbedingungen. Gerade aber das Mischungsverhältnis bspw. von Biogasen unterliegt u. a. natürlichen Schwankungen.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind auch Kombinationen von Messgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses oder anderer für einen Prozessverlauf wichtiger Größen wie z. B. der Dichte oder der Viskosität des strömenden Mediums. Aus der Offenlegungsschrift DE 4 237 907 A1 ist beispielsweise eine Anordnung zur Massedurchflussbestimmung eines homogenen Mediums mittels zweier Ultraschall-Wandler und einem thermischen Sensor bekannt. Weiterhin wird in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 046 319 A1 ein Verfahren zur Massedurchflussbestimmung eines mehrphasigen, zumindest teilweise fluiden durch ein Messrohr strömenden Mediums offenbart. Aus den internationalen Veröffentlichungen WO-A 03/062759 , WO-A 03/073047 , WO-A 04/046660 und der Patentschrift US 5,4 00,657 , sind Apparate zur Messung der wichtigsten physikalischen Eigenschaften mehrkomponentiger Medien bekannt. Ein Nachteil der bekannten Verfahren und Apparate resultiert aus ihrem hohen Grad an Komplexität und/oder ihren hohen Installations-, Wartungs- und Instandhaltungskosten. Weiterhin ermitteln diese Geräte zwar u. a. die Dichte des strömenden Mediums, aber nicht die Konzentration der Komponenten aus denen das Medium besteht. Die Konzentration der Komponenten kann sich aber bei gleich bleibender Dichte ändern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Prozessgröße eines strömenden Mediums und ein entsprechendes System vorzuschlagen, das die genannten Mängel nicht aufweist.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Volumendurchfluss des Mediums mittels eines ersten Messprinzips gemessen wird, wobei das erste Messprinzip im Wesentlichen unabhängig von der Prozessgröße ist, dass der Volumendurchfluss des Mediums mittels eines zweiten Messprinzips gemessen wird, wobei das zweite Messprinzip zumindest von der Prozessgröße abhängig ist, und dass aus mindestens den Messwerten des ersten und des zweiten Messprinzips die Prozessgröße bestimmt wird. In einer ersten Messung wird der Volumendurchfluss des durch beispielsweise eine Rohrleitung strömenden Mediums mittels eines ersten Messprinzips bestimmt. In einer zweiten Messung, die beispielsweise an derselben Rohrleitung oder an einer parallel zur Rohrleitung geführten zweiten Rohrleitung stattfindet, wird der Volumendurchfluss durch ein zweites Messprinzip erneut gemessen. Das erste Messprinzip ermittelt den Messwert des Volumendurchflusses unabhängig von der Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums und ist also nicht von der Veränderung der Konzentration dieser Komponente abhängig. Der Messwert des Volumendurchflusses des zweiten Messprinzips ändert sich aber in Abhängigkeit von der Konzentration dieser einen Komponente, selbst wenn der Volumendurchfluss gleich bleibt. Dieser Effekt wird ausgenutzt, bspw. indem die mittels des ersten und zweiten Messprinzips gemessenen Messwerte bei bekannter Konzentration der mindestens einen Komponente abgeglichen werden. Durch den vorgenommenen Abgleich lassen sich dann durch die mittels des ersten und zweiten Messprinzips gemessenen Messwerte des Volumendurchflusses Rückschlüsse auf die Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums ziehen. Ein Abgleich des mittels der unterschiedlichen Messprinzipien gemessenen Volumendurchflusses bezüglich der Dichte ermöglicht im späteren Messbetrieb dann Rückschlüsse auf eben die Dichte. Weiterhin können bspw. die sich ergänzenden Messgrößen der beiden Messprinzipien u. a. zur Bestimmung der Prozessgröße genutzt werden.
Der von einer Änderung der Dichte abhängige Anzeigefehler ist bei Messprinzipien die auf einer Volumenmessung des Durchflusses beruhen am größten. Weiterhin von einer Änderung der Dichte abhängige Durchflussmessprinzipien sind bspw. die Wirkdruckmessung und die Schwebekörperdurchflussmessung. Eine direkte Massendurchflussmessung weist naturgemäß keinen Anzeigefehler bei einer Änderung der Dichte auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Volumendurchfluss des Mediums durch das Messrohr mittels mindestens einem der folgenden Messprinzipien bestimmt: Wirkdruck-, Schwebekörper-, Turbinenzähler-, Wirbelzähler-, Magnetisch-Induktive-, Ultraschall-, Coriolis- sowie Thermische-Durchflussmessung. Dadurch lässt sich das Verfahren auf das zu messende Medium und dessen Eigenschaften abstimmen. Sind Medien beispielsweise stark abrasiv, so kann durch den Einsatz bspw. eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerätes eine Abnutzung des Durchflussmessgerätes bzw. dessen Sensorik vermieden werden. Bevorzugt können so je nach Verwendungszweck Durchflussmessgeräte bzw. Kombinationen von Durchflussmessgeräten verwendet werden, die eine Auswertung erleichtern und/oder den Prozessablauf nicht behindern. Werden ein oder mehrere Durchflussmessgeräte zur Bestimmung bspw. des Volumendurchflusses verwendet, so kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle und/oder Überwachung u. a. der Prozessgröße eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird mindestens eine zusätzliche Größe gemessen, wobei die zusätzliche Größe von der Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums abhängig ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Messgröße handeln, aus der der Volumendurchfluss abgeleitet wird. Bei einer Volumendurchflussmessung beispielsweise mittels Ultraschall-Prinzip ist dies die Schallgeschwindigkeit im entsprechenden Medium. Der Messwert der zusätzlichen Größe bildet dann bei der Bestimmung der Prozessgröße eine Nebenbedingung an die möglichen Konzentrationen der mindestens einen Komponente und/oder legt unterschiedliche Konzentrationen der mindestens einen Komponente fest, die bei dem Messwert der zusätzlichen Größe möglich sind. Durch die bevorzugte Ausgestaltung kann aus den mittels des ersten und zweiten Messprinzips gemessenen Volumendurchflussmesswerten und einem Messwert der zusätzlichen Größe u. a. die Dichte des Mediums, die Konzentration der mindestens einen Komponente und der Massedurchfluss bestimmt werden. Anwendbarkeit und Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens sind abhängig von der Kombination der verwendeten Messprinzipien und den physikalischen Eigenschaften des Mediums.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass durch eine Verschaltung bspw. mehrerer an eine Rohrleitung installierter Messgeräte das Verfahren in einen bestehenden Prozessablauf integriert werden kann. Ist andererseits nur ein Messgerät in eine Rohrleitung integriert, so kann beispielsweise ein zweites, zusätzliches Messgerät zumindest temporär zur Bestimmung und/oder Kontrolle der Prozessgröße angebracht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die zusätzliche Größe eine der folgenden Größen: Dichte, Druck, Frequenz, elektrische Leitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähgkeit oder Temperatur. Für die genannten Größen sind bereits Messgeräte bzw. Durchflussmessgeräte für den Betrieb in und/oder an Rohrleitungen erhältlich und die genannten Größen sind durch Standarttechniken und -verfahren messbar. Die genannten Größen sind beispielsweise mittels eines separaten Messgerätes zu messen oder aus den Messgrößen des Durchflussmessgerätes zumindest ableitbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die physikalischen Eigenschaften u. a. die Dichte der mindestens einen Komponente zumindest teilweise bekannt und werden zur Bestimmung der Prozessgröße verwendet. Bei z. B. bekannter Dichte der mindestens einen Komponente ist dann die Prozessgröße mittels physikalischer Zusammenhänge bestimmbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden der Volumendurchfluss mittels des ersten und des zweiten Messprinzips und die zusätzliche Größe unter im Wesentlichen gleichen Messbedingungen gemessen. Insbesondere maßgebliche, die Messbedingungen beeinflussende Größen wie bspw. Druck, Temperatur und Durchfluss sollten zum Zeitpunkt der Messung der mindestens einen zusätzlichen Größe und des Volumendurchflusses im Wesentlichen gleich sein. Zwar ist ein Zusammenhang zwischen den Messwerten bei unterschiedlichen Messbedingungen gegeben, allerdings verkomplizieren unterschiedliche Messbedingungen, insbesondere Druck- und Temperaturschwankungen, die Auswertung und beeinflussen die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Wesentlichen gleiche Messbedingungen werden erreicht, indem die Messgeräte bspw. unmittelbar hintereinander in und/oder an bspw. eine Rohrleitung angebracht werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird für ein aus Gas bestehendes Medium der Absolutdruck des Mediums unter im Wesentlichen gleichen Messbedingungen zur Messung des Volumendurchflusses und der zusätzlichen Größe gemessen. Für ein aus Gas bestehendes Medium ist die Kenntnis einer weiteren Zustandsgröße z. B. des Absolutdrucks des Mediums zur Bestimmung der Prozessgröße notwendig.
In einer günstigen Ausgestaltung wird die Dichte des Mediums aus einem Zusammenhang zwischen mindestens den Messwerten des ersten Messprinzips, den Messwerten des zweiten Messprinzips und der Dichte des Mediums bestimmt. Aus den sich ergänzenden Messgrößen der unterschiedlichen Messprinzipien ist z. B. durch einen tabellarischen Zusammenhang, der z. B. durch einen Abgleich oder eine Berechnung gewonnen wurde, die Dichte bestimmbar.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung wird aus der Dichte des Mediums und mindestens der zusätzlichen Größe die Konzentration der mindestens einen Komponente bestimmt. Die sich ergänzenden Messgrößen und der Zusammenhang ermöglichen eine Bestimmung der Prozessgröße. Der Zusammenhang kann beispielsweise funktionell und/oder tabellarisch in der Auswerteeinheit hinterlegt sein.
In einer Weiterbildung ist ein Zusammenhang zwischen mindestens dem mittels des ersten Messprinzips gemessenen Volumendurchfluss und dem mittels des zweiten Messprinzips gemessenen Volumendurchfluss und der Konzentration der mindestens einen Komponente bekannt und wird zur Bestimmung der Prozessgröße verwendet. Der Zusammenhang kann bspw. durch Abgleich der mittels des ersten und zweiten Messprinzips gemessenen Messwerte bei bekannter Konzentration der mindestens einen Komponente hergestellt werden. Durch den Abgleich werden den mit unterschiedlichen Messprinzipien gemessenen Messwerten des Volumendurchflusses mögliche Konzentrationen der mindestens einen Komponente zugeordnet. Denkbar ist auch die Verwendung eines theoretischen Modells, das den mit unterschiedlichen Messprinzipen gemessenen Messwerten unterschiedliche mögliche Konzentrationen der mindestens einen Komponente zuordnet.
In einer weiteren Weiterbildung ist ein Zusammenhang zwischen mindestens der zusätzlichen Größe und der Konzentration der mindestens einen Komponente bekannt und wird zur Bestimmung der Prozessgröße verwendet.
Der Zusammenhang kann auch hier beispielsweise durch einen Abgleich der Messwerte der zusätzlichen Größe bezüglich der Konzentration der mindestens einen Komponente hergestellt werden. Wie in der vorhergehenden Weiterbildung werden dem Messwert der mindestens einen zusätzlichen Größe dadurch unterschiedliche Konzentrationen der mindestens einen Komponente zugeordnet.
In einer anderen Weiterbildung wird die Prozessgröße aus den möglichen Konzentrationen der mindestens einen Komponente bestimmt. Die mittels des ersten und zweiten Messprinzips gemessenen Messwerte des Volumendurchflusses legen unterschiedliche, mögliche Konzentrationen der Komponenten des Mediums fest. Gleiches gilt für die zusätzliche Größe. Die übereinstimmenden, von Messwerten des Volumendurchflusses und der zusätzliche Größe festgelegten Konzentrationen geben das tatsächliche Mischungsverhältnis bzw. die Konzentration der mindestens einen Komponente an. Je nach physikalischen Eigenschaften des Mediums ist eine eindeutige oder nur eine mehrdeutige Bestimmung der Konzentration der mindestens einen Komponente möglich. Insbesondere wenn das Medium aus mehreren Komponenten mit sich ähnlichen physikalischen Eigenschaften besteht ist eventuell nur eine mehrdeutige Bestimmung der Konzentration möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird aus der Dichte des Mediums der Massedurchfluss des Mediums bestimmt. Ist die Konzentration der mindestens einen Komponente ermittelt, ist zusammen mit der Dichte der mindestens einen Komponente die Dichte des Mediums z. B. berechenbar. Aus der Dichte des Mediums lässt sich dann u. a. der Massedurchfluss des Mediums bestimmen.
Bezüglich des Systems wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das System mindestens zwei Vorrichtungen zur Messung des Volumendurchflusses enthält, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Prozessgröße des strömenden Mediums bestimmt.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems enthält mindestens eine Vorrichtung, die mindestens eine zusätzliche Größe misst, die sich vom Volumendurchfluss unterscheidet.
Das erfindungsgemäße System enthält mindestens zwei, redundante Vorrichtungen zur Bestimmung des Volumendurchflusses. Die Vorrichtungen sind Umsetzungen der Messprinzipien wie sie das erfindungsgemäße Verfahren verlangt. Aus den Messwerten des Volumendurchflusses lässt sich dann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren u. a. die Dichte des Mediums bestimmen. Der Volumendurchfluss wird oftmals von einem Druckunterschied, einer Laufzeitdifferenz, einer Frequenzverschiebung usw. anderer Messgrößen abgeleitet. Diese Messgrößen sind teilweise von der Konzentration der mindestens einen Komponente abhängig und stellen eine zusätzliche Größe dar, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung z. B. der Konzentration der mindestens einen Komponente verwendet werden kann. Die Vorrichtung zur Messung der mindestens einen zusätzlichen Größe kann also bspw. eine Vorrichtung zur Messung des Volumendurchflusses sein oder in eine solche Vorrichtung integriert werden. Die Auswerteeinheit beinhaltet bspw. Daten eines Abgleichs und/oder Kalkulationsprogramme zur Ermittlung der Prozessgrößen. Die Reihenfolge oder Anordnung der Vorrichtungen ist nicht festgelegt. Es sind verschiedenste Ausführungen denkbar, u. a. die schon erwähnte Verschaltung mehrerer bereits an und/oder in eine Rohrleitung installierter Messgeräte und/oder Durchflussmessgeräte.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems mit einem Ultraschall-Durchflussmessgerät und einem Differenzdruck-Durchflussmessgerät,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems,
3a), b), c): drei ternäre Diagramme mit hypothetischen Werten des Empfindlichkeitsfehlers χ, der Schallgeschwindigkeit C_S und der Dichte ρ als Funktion der Konzentrationen eines dreikomponentigen Fluids bei im Wesentlichen gleichen Messbedingungen.
1 zeigt zwei hintereinander in eine Rohrleitung 1 eingebrachte Durchflussmessgeräte 5, 6, wobei das erste Messgerät ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 5 und das zweite, ergänzende Messgerät ein Differenzdruck-Durchflussmessgerät 6 ist. Beide Durchflussmessgeräte 5, 6 messen auf sich ergänzende, unterschiedliche Weise den Volumendurchfluss eines durch die Rohrleitung 1 strömenden Mediums 3, in diesem Fall eines dreikomponentigen Gasgemischs. Von vornherein sind die Komponenten und deren Dichten bekannt. Das Differenzdruck-Durchflussmessgerät 6 kann bspw. ein Staudruckrohr, eine Blende oder eine Venturidüse beinhalten. Der Volumendurchfluss Q des Differenzdruck-Durchflussmessgerätes 6 ergibt sich nach
und daraus die Dichte
Eingesetzt in die allgemeine Massedurchflussgleichung ṁ = ρ·Q erhält man den Massedurchfluss
Je nach verwendetem Ultraschall-Durchflussmessgerät 5 erhält man den Volumendurchfluss Q_US des Ultraschallmessgerätes 5 aus einer Frequenzverschiebung oder einem Laufzeitunterschied der Ultraschallwellen. Schließlich lässt sich der Massedurchfluss nach
mittels der sich ergänzenden Messwerte Q_US, Δp der beiden auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhenden Durchflussmessgeräte berechnen.
Es ist Q: Volumendurchfluss des Differenzdruck-Durchflussmessgerätes 6, Q_US: Volumendurchfluss des Ultraschall-Durchflussmessgerätes 5, Δp: Differenzdruck, G: Funktion von u. a. der Rohrgeometrie und der Reynoldszahl, k: Gerätefaktor und ρ: Dichte des Gasgemischs.
Eine zusätzliche Größe ist die aus der Messung des Ultraschall-Durchflussmessgerätes 5 bekannte Schallgeschwindigkeit in dem Gasgemisch C_S. Aus der vorangegangenen Rechnung ist weiterhin die Dichte ρ des Gasgemischs bekannt. Aus diesen beiden Größen kann für ein dreikomponentiges Gasgemisch die Konzentration der Komponenten bestimmt werden:
Für ein aus drei Komponenten mit Konzentrationen x₁, x₂, x₃ zusammengesetztes Gasgemisch gilt unter Annahme eines idealen Gases für die Schallgeschwindigkeit:
und M = x₁M₁ + x₂M₂ + x₃M₃.
Für die Konzentrationen x1, x2, x3 gilt x1 + x2 + x3 = 1. Gleichung (2)
Zusammen mit der Dichte
des idealen Gasgemischs lassen sich aus den Gleichungen (1), (2), (3) die Konzentrationen x₁, x₂ _, x₃ berechnen.
Hier ist R: allgemeine Gaskonstante, T: Temperatur in Kelvin, M_i: Molekulargewicht der i-ten Komponenten des Gasgemischs, R_i: spezifische Gaskonstante der i-ten Komponente mit
γ_i: spezifische Wärmekapazität der i-ten Komponente des Gasgemischs, ρ_i: Dichte der i-ten Komponenten des Gasgemischs, mit i = 1, 2, 3.
Zur Bestimmung der Prozessgrößen ist in dem erfindungsgemäßen System 4 eine Auswerteeinheit 2 vorgesehen.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes System, das zwei Vorrichtungen zur Durchflussmessung 7, 8 und eine Vorrichtung zur Messung der zusätzlichen Größe 9 enthält.
In 2 ist für jede nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu messende Größe genau eine Vorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtungen 7, 8, 9 können in getrennten Messgeräten untergebracht, auf verschiedene Messgeräte verteilt oder vollständig in einem Messgerät enthalten sein. Zur Auswertung und/oder Speicherung der Daten ist eine Auswerteeinheit 4 vorgesehen.
Die Messprinzipien der Vorrichtungen 7, 8, 9 müssen folgenden Anforderungen genügen:

i) Das Messprinzip der Vorrichtung 7 misst den Volumendurchfluss unabhängig von der Prozessgröße des Mediums 3.
ii) Das Messprinzip der zweiten Vorrichtung 8 zur Durchflussmessung beruht auf Eigenschaften des Mediums 3, die von der Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums 3 abhängen.
iii) Die Vorrichtung 9 zur Messung der zusätzlichen Größe misst mindestens eine Eigenschaft des Mediums 3, die abhängig von der Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums ist.

Die Anforderungen i), iii) können z. B. durch verschiedene Messgeräte 7, 9 erfüllt werden. Möglich ist eine Kombination bspw. eines Magnetisch-Induktiven Durchflussmessgerätes 7 mit einem Messgerät 9 zur Bestimmung der Leitfähigkeit des Mediums 3. Ein Ultraschall-Durchflussmessgerät andererseits kombiniert beide Anforderungen, da der Volumenstrom unabhängig von der Konzentration der Komponenten gemessen wird und die Schallgeschwindigkeit im Medium 3 aber sehr wohl von der Konzentration der Komponenten des Mediums 3 abhängt.
Vorrichtungen die ein Messprinzip nach Anforderung ii) enthalten sind bspw. Differenzdruck-Durchflussmessgeräte z. B. eine Blende.
3a), b), c) zeigt drei ternäre Diagramme (Gibbs'sche Dreiecke), die hypothetische Werte des Empfindlichkeitsfehlers
der Schallgeschwindigkeit C_S und der Dichte ρ des Mediums bei gleichen Messbedingungen als Funktion der Konzentrationen x₁, x₂, x₃ eines dreikomponentigen Fluids 3 enthalten. Reale Werte können von den hypothetischen abweichen.
Der Empfindlichkeitsfehler
ist der Quotient zweier bei im Wesentlichen gleichen Messbedingungen, durch unterschiedliche Messprinzipien gemessenen Volumendurchflüsse Q, Q_US, wobei Q_US der gemessene Volumendurchfluss eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes 5 und Q der Volumendurchfluss eines zweiten, beliebigen anderen, auf die Konzentration der Komponenten des Fluids 3 empfindlichen Durchflussmessgerätes 6 ist. Der Empfindlichkeitsfehler χ, die Schallgeschwindigkeit C_S und die Dichte ρ als Funktion der Konzentration der Komponenten des Fluids 3 können bspw. durch ein theoretisches Modell oder einen Abgleich der Messwerte der Durchflussmessgeräte 5, 6 bei bekannter Konzentration der Komponenten des Fluids 3 ermittelt werden.
Zum Zwecke eines Abgleichs werden die die unterschiedlichen Messprinzipien beinhaltenden Vorrichtungen (5, 6; 7, 8) bei gleichen Messbedingungen und bekannter Prozessgröße so eingestellt, dass sie den gleichen Volumendurchfluss anzeigen. Eine Änderung der Prozessgröße verursacht eine Abweichung der Volumendurchflussanzeige des auf die Prozessgröße sensitiven Messprinzips. Die Größe der Abweichung gibt im Rückschluss die Änderung der Prozessgröße an.
Zu einem Messwert des Empfindlichkeitsfehlers χ sind dann unterschiedliche Konzentrationen der Komponenten bekannt. Ebenso erhält man durch einen Messwert der Schallgeschwindigkeit C_S unterschiedliche Konzentrationen der Komponenten.
Die Kurve in 3a) bzw. 3b) zeigt die bei einem Messwert des Empfindlichkeitsfehlers χ bzw. der Schallgeschwindigkeit C_S möglichen, unterschiedlichen Konzentrationen von Komponenten des Fluids 3. Die Kurve in 3c) zeigt die bei konstanter Dichte möglichen Konzentrationen der Komponenten des Fluids 3. Bei den Kurven handelt es sich um sog. Isokonturen, die Punkte gleicher Werte miteinander verbinden.
Der Schnittpunkt der Kurven gibt die tatsächliche Konzentration x₁, x₂, x₃ der Komponenten des Fluids 3 an. In diesem Bspl. sind die Konzentrationen: x₁ = 0,3, x₂ = 0,3, x₃ = 0,4. Die ermittelten Konzentrationen der Komponenten geben in dem dritten ternären Diagramm die Dichte ρ des dreikomponentigen Fluids 3 an. Die Werte der Dichte abhängig von der Konzentration der Komponenten muss ebenfalls z. B. durch einen Abgleich ermittelt werden, so dass bei bekannter Konzentration der Komponenten die Dichte bei gegebenen Messbedingungen bekannt ist. Die bestimmte Dichte ρ des Mediums und der Volumendurchfluss Q_US des Ultraschall-Durchflussmessgerätes werden dann zur Berechnung des Massedurchflusses ṁ nach ṁ = ρ·Q_US verwendet.
Für Durchflussmessgeräte vom lokalen Typ wie es bspw. ein Thermisches Massedurchflussmessgerät ist, das nur einen Ausschnitt der sich im Messrohr verändernden Strömungsgeschwindigkeit misst, ist der Empfindlichkeitsfehler χ durch Q/Q_US = c·f(Re) zu ersetzen, wobei c eine Konstante und f(Re) eine Funktion der Reynoldszahl ist.

1: Rohrleitung
2: Auswerteeinheit
3: Strömendes Medium/Fluid
4: Erfindungsgemäßes System
5: Ultraschall-Durchflussmessgerät
6: Differenzdruck-Durchflussmessgerät
7: Vorrichtung zur Messung des Volumendurchflusses nach dem erstem Messprinzip
8: Vorrichtung zur Messung des Volumendurchflusses nach dem zweitem Messprinzip
9: Vorrichtung zur Messung einer teilweise von dem Verhältnis der Komponenten des Mediums abhängigen Größe
x₁: Konzentration der ersten Komponente des Fluids
x₂: Konzentration der zweiten Komponente des Fluids
x₃: Konzentration der dritten Komponente des Fluids
χ: Empfindlichkeitsfehler
ρ: Dichte des Fluids
C_S: Schallgeschwindigkeit im Fluid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 03/095950 A [0004]
- DE 102005057688 [0004]
- DE 10393185 T5 [0004]
- DE 4237907 A1 [0010]
- DE 102005046319 A1 [0010]
- WO 03/062759 A [0010]
- WO 03/073047 A [0010]
- WO 04/046660 A [0010]
- US 5400657 [0010]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines strömenden Mediums (3), wobei das Medium (3) aus mehreren Komponenten besteht, wobei die Prozessgröße insbesondere eine Konzentration mindestens einer der Komponenten oder die Dichte (ρ) des Mediums (3) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumendurchfluss des Mediums (3) mittels eines ersten Messprinzips gemessen wird, wobei das erste Messprinzip im Wesentlichen unabhängig von der Prozessgröße ist, dass der Volumendurchfluss des Mediums (3) mittels eines zweiten Messprinzips gemessen wird, wobei das zweite Messprinzip zumindest von der Prozessgröße abhängig ist, und dass aus mindestens den Messwerten des ersten und des zweiten Messprinzips die Prozessgröße bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumendurchfluss des Mediums (3) mittels mindestens einem der folgenden Messprinzipien bestimmt wird: Wirkdruck-, Schwebekörper-, Turbinenzähler-, Wirbelzähler-, Magnetisch-Induktive-, Ultraschall-, Coriolis- sowie Thermische-Durchflussmessung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Größe gemessen wird, wobei die zusätzliche Größe von der Konzentration der mindestens einen Komponente des Mediums (3) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Größe eine der folgenden Größen ist: Dichte, Druck, Frequenz, elektrische Leitfähigkeit, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähgkeit oder Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumendurchfluss mittels des ersten und des zweiten Messprinzips und die zusätzliche Größe unter im Wesentlichen gleichen Messbedingungen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für ein aus Gas bestehendes Medium (3) der Absolutdruck des Mediums (3) unter im Wesentlichen gleichen Messbedingungen zur Messung des Volumendurchflusses und der zusätzlichen Größe gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Mediums (3) aus einem Zusammenhang zwischen mindestens den Messwerten des ersten Messprinzips, den Messwerten des zweiten Messprinzips und der Dichte (ρ) des Mediums (3) bestimmt wird
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Dichte (ρ) des Mediums (3) und mindestens der zusätzlichen Größe die Konzentration der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen mindestens dem mittels des ersten Messprinzips gemessenen Volumendurchfluss und dem mittels des zweiten Messprinzips gemessenen Volumendurchfluss und der Konzentration der mindestens einen Komponente bekannt ist und zur Bestimmung der Prozessgröße verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen mindestens der zusätzlichen Größe und der Konzentration der mindestens einen Komponente bekannt ist und zur Bestimmung der Prozessgröße verwendet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgröße aus den möglichen Konzentrationen der mindestens einen Komponente bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Dichte (ρ) des Mediums (3) der Massedurchfluss des Mediums (3) bestimmt wird.
System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–12 dadurch gekennzeichnet, dass das System (4) mindestens zwei Vorrichtungen zur Messung des Volumendurchflusses (5, 6; 7, 8, 9) enthält, und dass eine Auswerteeinheit (2) vorgesehen ist, die die Prozessgröße des strömenden Mediums (3) bestimmt.
System zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das System (4) mindestens eine Vorrichtung (5, 6, 7, 8, 9) enthält, die mindestens eine zusätzliche Größe misst, die sich vom Volumendurchfluss unterscheidet.