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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems mittels der obigen Messanordnung.
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Misch- und Rührvorgänge finden in weiten Teilen der Industrie und Verfahrenstechnik Anwendung. Misch- und Rührvorgänge in Mehrphasensystemen mit einer Flüssigphase und einer Gasphase in einem Reaktionskessel haben eine besondere Relevanz in der Verfahrenstechnik und treten in einer Vielzahl verschiedener Prozesse auf. Die Gasphase kann dabei entweder durch direktes Einleiten von Gasen in die Flüssigphase im Reaktionskessel gebildet werden oder im Inneren der Flüssigphase als Produkt bei chemischen und/oder biologischen Reaktionen wie beispielsweise bei Fermentationsprozessen in Biogasreaktoren entstehen. Eine gezielte Optimierung der Anlagentechnik hinsichtlich der verwendeten Rührsysteme, Strombrecher, Wärmetauscher, Begasungseinrichtungen, Versorgungsleitungen etc. sowie eine zuverlässige Prozessüberwachung wurden bisher aufgrund der erschwerten messtechnischen Zugänglichkeit der Prozesse im Reaktionskessel erschwert.
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Bisher verfolgte Ansätze zur Beschreibung der Vorgänge im Reaktionskessel weisen unterschiedliche Nachteile auf Elektrische Leitwertmessungen mittels Messsonden und/oder spektroskopische Messungen mittels optischer Sonden liefern lediglich lokale Werte. Der Einsatz von Gittersensoren, also gitterartig zwei-dimensional angeordnete Messonden, erlauben zwar eine zweidimensional aufgelöste Messung in der Gitterebene, allerdings sind Gittersonden aufgrund der feinen gitterförmigen Struktur ungeeignet für den Einsatz in Mehrphasensystemen mit hohem und/oder grobem Feststoffanteil.
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Die Technik der nichtinvasiven Computertomographie auf Basis ionisierender Strahlung wie Röntgen und/oder Gammastrahlung bietet zwar die Möglichkeit, die Gasgehaltsverteilung auch bei hohem Feststoffanteil räumlich aufgelöst zu bestimmen, allerdings ist die Messtechnik mit enormem Aufwand, Kosten und Strahlenschutz verbunden und scheidet daher für viele Anwendungen aus.
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Die elektrische Widerstands- und Impedanz-Tomographie (ERT, EIT) stellt eine kostengünstige, nichtinvasive Alternative zu den oben aufgeführten Techniken dar. Sie basiert auf der Beobachtung, dass sich elektrische Leitfähigkeiten je nach Beschaffenheit des Mediums unterscheiden. Beim Bestimmen der Gasgehaltsverteilung in Mehrphasensystemen mit geringer Gaskonzentration ergeben sich gemäß dem Zusammenhang von Maxwell allerdings lediglich kleine Änderungen in der elektrischen Leitfähigkeit, sodass in diesen Fällen die Messunsicherheit zumeist den Messwert selbst überschreitet. Insbesondere wenn eine Inhomogenität der Leitfähigkeit der Flüssigphase auftritt, wird die zuverlässige Bestimmung der Gasgehaltsverteilung in vielen Fällen unmöglich.
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Demnach ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Messanordnung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems bereitzustellen, wobei die Gasgehaltsverteilung zuverlässig und mit hoher Genauigkeit, räumlich aufgelöst bestimmbar ist. Insbesondere soll auch ein nichtinvasives Bestimmen der Gasgehaltsverteilung bei geringen Gaskonzentrationen und/oder bei hohem Feststoffanteil ermöglicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird also eine Messanordnung zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems vorgesehen, umfassend einen Reaktionskessel, eine Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten und eine Auswerteeinrichtung, wobei der Reaktionskessel dazu ausgestaltet ist, das Mehrphasensystem in sich aufzunehmen, wobei die akustischen Sende- und Empfangseinheiten kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbindbar sind und dazu ausgestaltet sind, ein akustisches Signal zu erzeugen und zu empfangen, und wobei die Sende- und Empfangseinheiten derart angeordnet sind, dass eine Messstrecke zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheiten wenigstens teilweise ein Volumen des Reaktionskessels durchläuft.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem bestimmt wird, indem das Mehrphasensystem ausgehend von den räumlich verteilten akustischen Sendeeinheiten mit akustischen Signalen durchdrungen wird und die akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems von den räumlich verteilten akustischen Empfangseinheiten detektiert werden.
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Hinsichtlich der Messanordnung ist vorgesehen, dass die Messanordnung den Reaktionskessel umfasst, der dazu ausgestaltet ist, das Mehrphasensystem in sich aufzunehmen. Die Sende- und Empfangseinheiten sind derart angeordnet, dass die Messstrecke zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit wenigstens teilweise das Volumen des Reaktionskessels durchläuft. Somit wird das von der Sendeinheit erzeugte akustische Signal wenigstens teilweise das Volumen des Reaktionskessels durchlaufen bevor es empfangen wird. Insbesondere definieren die Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten durch ihre Anordnung zueinander ein Messvolumen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sende- und Empfangseinheiten derart zum Reaktionskessel angeordnet sind, dass ein Überlapp zwischen dem Messvolumen und dem Volumen des Reaktionskessels besteht.
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Beim Mehrphasensystem handelt es sich bevorzugt um ein Mehrphasensystem mit wenigstens einer Flüssigphase und wenigstens einer Gasphase. Neben diesen zwei Phasen können in dem Mehrphasensystem noch weitere Phasen vorliegen, beispielsweise eine Festphase oder weitere Flüssigphasen und/oder Gasphasen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Gasphase auch als Blasen innerhalb der Flüssigphase vorliegt.
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Der Reaktionskessel kann jegliche Vorrichtung sein, die erlaubt die Flüssig- und Gasphase des Mehrphasensystems in sich aufzunehmen. Es ist also möglich, dass der Reaktionskessel einen Raum vollständig abgrenzt, innerhalb dessen sich das Mehrphasensystem befinden kann, wie beispielsweise bei einem Batch-Reaktor. Alternativ kann es sich beim Reaktionskessel um einen Durchflussreaktor (Flow-Reaktor) handeln, wobei das Mehrphasensystem durch den Durchflussreaktor hindurchfließen kann. Unter Reaktionskessel sind im Sinne der Erfindung auch durchströmbare Anlageteile wie Rohrleitungen zu verstehen. Weiterhin ist es nicht notwendig, dass im Reaktionskessel eine chemische- und/oder biologische Reaktion abläuft. Wenn das Mehrphasensystem im Reaktionskessel vorliegt, wird die Gasphase des Mehrphasensystems durch das Volumen des Reaktionskessels begrenzt. Die Flüssigphase, innerhalb derer sich ebenfalls Gasphase in Form von Blasen befinden kann, wird durch das Füllvolumen des Reaktionskessels begrenzt. Bei Vorliegen des Mehrphasensystems im Reaktionskessel ist hinsichtlich der Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten weiter bevorzugt vorgesehen, dass ein Überlapp zischen dem Messvolumen und dem Füllvolumen des Reaktionskessels besteht. Somit kann das akustische Signal bevorzugt auch die Flüssigphase des Mehrphasensystems durchlaufen.
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Bevorzugt handelt es sich beim Reaktionskessel um einen Reaktionskessel, der standardmäßig in der Verfahrenstechnik in der Pharmaindustrie, Chemieindustrie, Biogas-Produktion, und/oder Abwassertechnik eingesetzt wird. Weiter bevorzugt weist der Reaktionskessel ein Volumen zwischen 0,05 m3 und 20000 m3 auf. Grundsätzlich kann die Form des Reaktionskessels beliebig sein. Bevorzugt ist die Form des Reaktionskessel derart, dass wenigstens eine gerade Strecke zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche des Reaktionskessels durch das Volumen des Reaktionskessels mehr als 10 cm misst.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Messanordnung eine Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten umfasst. Die akustischen Sende- und Empfangseinheiten umfassen im Sinne der Erfindung kombinierte Sende-Empfangseinheiten, sogenannte Transceiver, bei denen mittels der kombinierten Sende-Empfangseinheit das akustische Signal erzeugt sowie empfangen werden kann, wobei zwischen einem Sendemodus und einem Empfangsmodus umgeschaltet werden kann. Weiter umfassen akustische Sende- und Empfangseinheiten im Sinne der Erfindung dezidierte akustische Sendeeinheiten sowie dezidierte akustische Empfangseinheiten, also getrennte Vorrichtungen für die Sendeeinheit und Empfangseinheit. In diesem Falls ist die Sendeeinheit dazu ausgestaltet, das akustische Signal zu erzeugen und die Empfangseinheit dazu ausgestaltet, das akustisch Signal zu empfangen. Dass die Messanordnung eine Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten umfasst, bedeutet also im Sinne der Erfindung, dass a) die Messanordnung eine Mehrzahl an Transceivern umfasst und/oder b) die Messanordnung eine Mehrzahl an dezidierten Sendeeinheiten und eine Mehrzahl an dezidierten Empfangseinheiten umfasst. Wenn im Folgenden von akustischen Sendeeinheiten gesprochen wird, wird darunter also die dezidierte akustische Sendeeinheit sowie die kombinierten Sende-Empfangseinheit im Sendemodus verstanden. Analoges gilt für die akustische Empfangseinheiten, wobei darunter also die dezidierte akustische Empfangseinheit sowie die kombinierten Sende-Empfangseinheit im Empfangsmodus verstanden wird. Grundsätzlich wird der Fachmann die Anzahl der Sende- und Empfangseinheiten passend zum Volumen und/oder Füllvolumen des Reaktionskessels wählen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Messanordnung wenigstens drei Transceiver bzw. wenigstens drei dezidierte Sendeeinheiten und drei dezidierte Empfangseinheiten umfasst. Eine höhere Anzahl an Sende- und Empfangseinheiten hat den Vorteil, dass die Gasgehaltsverteilung mit einer höheren räumlichen Auflösung bestimmt werden kann.
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Die akustischen Sende- und Empfangseinheiten sind kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbindbar. Die Auswerteeinrichtung kann als Computer ausgestaltet sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die akustischen Sendeeinheiten derart ausgestaltet ist, dass sie auf Basis eines Inputsignals der Auswerteeinrichtung ein akustisches Signal erzeugen können. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass die akustischen Empfangseinheiten derart ausgestaltet sind, dass sie auf Basis des empfangenen akustischen Signals Daten erzeugen können, die an die Auswerteeinrichtung übertragen werden können. Die Messanordnung kann nebst den akustischen Sende- und Empfangseinheiten sowie der Auswerteeinrichtung weitere Bestandteile zum Erzeugen des akustischen Signals, Verstärken des akustischen Signals, zum Umschalten zwischen Sendemodus und Empfangsmodus bei Transceivern und/oder zum Wechseln zwischen den dezidierten Sendeeinheiten und dezidierten Empfangseinheiten sowie zur Datenerfassung umfassen. Diese weiteren Bestandteile sind bevorzugt eine mehrkanalige Datenerfassungsvorrichtung (DAQ), einen ein- oder mehrkanaligen Funktionsgenerator, optional einen oder mehrere Umschaltvorrichtungen zum Wechseln zwischen dem Sende- und Empfangsmodus bei Transceivern und/oder zum Wechseln zwischen den dezidierten Sendeeinheiten und dezidierten Empfangseinheiten, sowie ein Signalverstärker. Hinsichtlich des von der Sendeinheit erzeugten akustischen Signales ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Sendeeinheiten Monopolstrahler und/oder Nierenstrahler sind. Das akustische Signal wird also bevorzugt als Kugelwelle oder als Überlagerung eines Schallfeldes eines Monopolstrahlers und eines Dipolstrahlers erzeugt. Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sende- und Empfangseinheiten dazu ausgestaltet sind ein akustisches Signal im Frequenzbereich unter 16 kHz zu erzeugen und zu empfangen, besonders bevorzugt im Frequenzbereich von 0,01 bis 14 kHz und weiter bevorzugt von 0,1 bis 10 kHz. Weiterhin können die Sende- und Empfangseinheiten sphärisch oder flach ausgeführt sein.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die akustischen Sende- und Empfangseinheiten derart angeordnet sind, dass die Messstrecke zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit wenigstens teilweise das Volumen des Reaktionskessels durchläuft. Insbesondere bedeutet dies, dass die akustischen Sende- und Empfangseinheiten derart um den Reaktionskessel herum angeordnet sind und/oder derart im Reaktionskessel angeordnet sind, dass das erzeugte akustische Signal wenigstens teilweise das Volumen des Reaktionskessels durchlaufen kann, bevor es empfangen wird. Im Falle von Transceivern bedeutet dies, dass die Transceiver derart zum Reaktionskessel angeordnet sind, dass eine Messstrecke, die zwei Transceiver verbindet, wenigstens teilweise das Volumens des Reaktionskessels durchläuft. Im Falle von dezidierten Sendeeinheiten und dezidierten Empfangseinheiten bedeute dies, dass diese derart zum Reaktionskessel angeordnet sind, dass eine Messstrecke zwischen einer dezidierten Sendeeinheiten und einer dezidierten Empfangseinheit wenigstens teilweise das Volumen des Reaktionskessels durchläuft. Bevorzugt durchlaufen alle Messstrecken, also alle möglichen Verbindungsstrecken zwischen zwei Transceivern, bzw. alle möglichen Verbindungsstrecken zwischen den dezidierten Sendeeinheiten und den dezidierten Empfangseinheit zumindest teilweise das Volumen des Reaktionskessels. Besonders bevorzugt durchlaufen die Messstrecken wenigstens teilweise das Füllvolumen des Reaktionskessels.
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Eine solche Anordnung kann auf mehrere Arten umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang und gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die akustischen Sende- und Empfangseinheiten
- - außerhalb des Reaktionskessels,
- - an einer Wandung des Reaktionskessels
- - in der Wandung des Reaktionskessels, und/oder
- - im Reaktionskessel
angeordnet sind. Die Anordnung außerhalb des Reaktionskessels hat den Vorteil, dass die Sende- und Empfangseinheiten leicht zugänglich sind und somit eine Installation und/oder eine Wartung sehr einfach ist. Weiterhin müssen die Sende- und Empfangseinheiten bei Anbringung außerhalb des Reaktionskessels auch nicht in hohem Maße chemikalienbeständig sein, wie das bei einer Anbringung im Reaktionskessel der Fall sein kann. Allerdings kann die Anbringung im Reaktionskessel den Vorteil haben, dass mit einer solchen Anordnung ausschließlich das Mehrphasensystem akustisch durchdrungen wird und nicht zusätzlich die Wandung des Reaktionskessels. In anderen Worten liegen bei einer Anordnung im Reaktionskessel die Messstrecken vollständig innerhalb des Volumens des Reaktionskessels. Somit kann mit einer Anordnung im Reaktionskessel eine höhere räumliche Auflösung der Gasphasenverteilung erreicht werden. Bei der Anbringung der Sende- und Empfangseinheiten an der Wandung des Reaktionskessels entspricht das Messvolumen im Wesentlichen dem Volumen des Reaktionskessels. An der Wandung des Reaktionskessels kann an einer Außenwandung des Reaktionskessels und/oder an einer Innenwandung des Reaktionskessels bedeuten. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich die Sende- und Empfangseinheiten direkt in die Wandung des Reaktionskessels zu integrieren. Dies führt zu einer sehr robusten Messanordnung.
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Hinsichtlich der Verteilung der akustischen Sende- und Empfangseinheiten ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die akustischen Sende- und Empfangseinheiten gleichmäßig oder ungleichmäßig
- - innerhalb des Volumens des Reaktionskessels,
- - auf einer Umschließungsoberfläche,
- - entlang einer Linie auf der Umschließungsoberfläche, und/oder
- - entlang einer Linie auf der Umschließungsoberfläche in einer Ebene
angeordnet sind. Die akustischen Sende- und Empfangseinheiten können also gleichmäßig verteilt sein. Gleichmäßig verteilt bedeutet bevorzugt, dass ein Abstand zwischen zwei benachbarten Sende- und Empfangseinheiten für alle Sende- und Empfangseinheiten im Wesentlichen gleich groß ist. Alternativ können die Sende- und Empfangseinheiten ungleichmäßig verteilt sein. Beispielsweise können die Sende- und Empfangseinheiten zufallsverteilt sein. Dabei kann sich die regelmäßige oder unregelmäßige Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten auf das Volumen innerhalb des Reaktionskessels beziehen. Beispielsweise können die Sende- und Empfangseinheiten innerhalb des Volumens des Reaktionskessels gleichmäßig verteilt sein und außerhalb des Volumens des Reaktionskessels ungleichmäßig. Die Verteilung kann sich auch auf die Umschließungsoberfläche beziehen. Die Umschließungsoberfläche ist bevorzugt die Oberfläche eines Raumes, welcher das Volumen und/oder das Füllvolumen des Reaktionskessels umschließt. Es kann sich beispielsweis um die Oberfläche des Volumens des Reaktionskessels handeln. So können die Sende- und Empfangseinheiten beispielsweise gleichmäßig auf der Wandung des Reaktionskessels verteilt sein. Es kann sich bei der Umschließungsoberfläche auch um die Oberfläche des Messvolumens handeln, das durch die Anordnung der akustischen Sende- und Empfangseinheiten aufgespannt wird. Eine gleichmäßige Verteilung bezogen auf die Oberfläche des Messvolumens kann dazu führen, dass die Sende- und Empfangseinheiten gemäß den Ecken eines regulären Polyeders angeordnet sind. Weiterhin kann sich die gleichmäßige oder ungleichmäßige Verteilung auf eine Verteilung entlang einer Linie auf der Umschließungsoberfläche beziehen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sende- und Empfangseinheiten gleichmäßig verteilt sind. Dies führt auch zu einer gleichmäßigen Verteilung der Messstrecken. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die Sende- und Empfangseinheiten gleichmäßig entlang einer Linie auf der Umschließungsoberfläche befinden. Insbesondere ist vorgesehen, dass dabei die Sende- und Empfangseinheiten, die gleichmäßig entlang der Line angeordnet sind, in einer Ebene liegen. Beispielsweise können bei einem zylinderförmigen Reaktionskessel die Sende- und Empfangseinheiten gleichmäßig entlang des Umfangs des Reaktionskessels angeordnet sein. Weiter bevorzugt sind mehrere solcher Ebenen parallel zueinander vorgesehen. Dies führt zu einem besonders einfach zu realisierenden Aufbau.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems mittels der obigen Messanordnung wobei das Mehrphasensystem vom Reaktionskessel aufgenommen ist und die akustischen Sende- und Empfangseinheiten kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind, umfassend die Schritte:
- - Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen,
- - Empfangen der akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten,
- - Bestimmen von Laufzeiten der akustischen Signale mittels der Auswerteeinrichtung,
- - Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung.
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Wie bereits erwähnt liegt der Kern der Erfindung darin, dass die Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem bestimmt wird, indem das Mehrphasensystem mit den akustischen Signalen durchdrungen wird und die akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems von den räumlich verteilten akustischen Empfangseinheiten detektiert werden. Dabei wird auf Basis von Laufzeiten, die die akustischen Signale zum Durchlaufen der Messstrecken benötigen, wobei die Messstrecken zumindest anteilig durch das Mehrphasensystem führen, auf die Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem geschlossen. Die Sendeeinheiten erzeugen also akustische Signale, die derart ausgestaltet sind, dass sie das Mehrphasensystem durchlaufen können, um eine Laufzeitmessung vornehmen zu können. Die Laufzeit des akustischen Signals ist bevorzugt die Zeit, die das akustische Signal von der Sendeeinheit, die das akustische Signal erzeugt hat zu den Empfangseinheiten, die das akustische Signal empfangen, benötigt. Im Falle von Transceivern bedeutet dies, dass die Zeit des akustischen Signals für ein Durchlaufen der Messstrecken, die jeweils zwei Transceiver miteinander verbindet, bestimmt wird. Im Falle von dezidierten Sendeeinheiten und dezidierten Empfangseinheiten bedeute dies, dass die Zeit des akustischen Signals für ein Durchlaufen der Messstrecken, die jeweils eine dezidierte Sendeeinheiten mit den dezidierten Empfangseinheiten verbindet, bestimmt wird. Da die Messtrecke zumindest anteilig durch das Mehrphasensystem führt, ist eine Laufzeitmessung nur möglich, wenn die akustischen Signale nicht vollständig vom Mehrphasensystem absorbiert werden. Die akustischen Signale sind bevorzugt derart ausgestaltet, dass Einflüsse der Signaldämpfung und Signalreflexion des Mehrphasensystems und/oder des Reaktionskessels verringert werden. Somit ist das Vermessen großer Volumina und somit langer Messstrecken innerhalb des Mehrphasensystems möglich.
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Bezüglich der Ausgestaltung der akustischen Signale ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen ein Erzeugen von akustischen Signalen mit einer Frequenz und/oder mit einem Frequenzspektrum im unterkritischen Bereich umfasst. Der unterkritische Bereich beschreibt Signalfrequenzen unterhalb einer Resonanzfrequenz der radialen Pulsationen der Blasen im Mehrphasensystem. Dabei hängt die Resonanzfrequenz von mehreren Faktoren des Mehrphasensystems ab. Diese Faktoren umfassen eine Oberflächenspannung der Blasen, eine Größe der Blasen, ein Dichteverhalten der Gasphase und der Flüssigphase, ein Kompressibilitätsverhalten der Gasphase und der Flüssigphase, eine Temperatur und ein Druck. Beispielsweise liegt bei Luftblasen mit einem Durchmesser von 2,2 mm in Wasser bei einem Equilibriumsdruck nahe 1 bar die Resonanzfrequenz bei rund 3,1 kHz. In diesem Beispiel sollte die Frequenz und/oder das Frequenzspektrum der akustischen Signale unterhalb dieser Grenze von 3,1 kHz liegen. In diesem Zusammenhang ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt Bestimmen des Unterkritischen Bereiches des Mehrphasensystems umfasst.
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Weiterhin ist bezüglich der Ausgestaltung der akustischen Signale und gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen ein Erzeugen von akustischen Signalen mit einer begrenzten Zeitdauer umfasst. Es handelt sich also bevorzugt nicht um ein akustisches Dauersignal, sondern um akustische Signale, die zeitlich begrenzt sind und bevorzugt wiederholt ausgesendet werden. Signale von kurzer Dauer sind dabei bevorzugt, um die Messrate zu erhöhen. Abhängig von der Signaldämpfung des Mehrphasensystems, einem allgemeinen Signalrauschen sowie einer Signalstärke kann es sinnvoll sein die Signallänge zu vergrößern, um eine robustere Laufzeitbestimmung zu realisieren. Die Dauer des Signals ist weiterhin abhängig vom Mehrphasensystem und der Frequenz des Signals. Bevorzugt ist das akustische Signal jedoch nicht länger als 10 Sekunden. Weiter bevorzugt ist das akustische Signal nicht kürzer als 0,1 Millisekunden. Besonders bevorzugt liegt die Signaldauer zwischen 1 Millisekunde und 5 Sekunden.
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Für die Bestimmung der Laufzeit ist es vorteilhaft, ein eindeutiges Autokorrelationsverhalten der akustischen Signale vorliegen zu haben. In diesem Zusammenhang ist bezüglich der Ausgestaltung der akustischen Signale gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen ein Erzeugen von Chirp-Signalen und/oder pseudozufälligen Sequenzen umfasst. Als Chirp-Signal wird ein Signal bezeichnet, dessen Frequenz sich zeitlich ändert. Dabei kann die Frequenz zeitlich zunehmen oder abnehmen. Die Frequenzänderung kann linear oder nichtlinear sein. Unter einer pseudozufälligen Sequenz wird ein Signal mit einer pseudozufälligen, binären Folge von Einzelsignalen verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei der pseudozufälligen Sequenz um ein MLS-Signal, englisch für Maximum Length Sequence. Weiter bevorzugt liegen alle Frequenzen bzw. das gesamte Frequenzspektrum des Chirp-Signals und/oder der pseudozufälligen Sequenz im unterkritischen Bereich.
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Hinsichtlich einer zeitlichen Abfolge der Verfahrensschritte ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Schritte
- - Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen, und
- - Empfangen der akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten,
mehrfach durchgeführt werden, wobei zwischen Empfangen der akustischen Signale und erneutem Erzeugen der akustischen Signale eine zeitliche Pause eingehalten wird. Bevorzugt wird in zeitlicher Abfolge das Messvolumen von den Sendeeinheiten durchschallt und die Signale durch die Empfangseinheiten aufgezeichnet. Nach dem Durchlauf eines Signales kann zum Abklingen des akustischen Nachhalls die zeitliche Pause eingehalten werden, um das Rauschverhalten durch Reflexionen zu reduzieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur eine Sendeeinheit der Mehrzahl Sendeeinheiten ein akustisches Signal erzeugt, welches dann von der Mehrzahl an Empfangseinheiten detektiert wird. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehrere Sendeeinheiten zeitgleich oder zeitlich überlappend unterschiedliche akustische Signale erzeugen, um die Messrate zu steigern. Hierbei sollten die unterschiedlichen Signale untereinander eine geringe Korrelation aufweisen, damit eine eindeutige Laufzeitbestimmung der unterschiedlichen akustischen Signale ermöglicht wird. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der Schritt Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten, derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen, ein zeitgleiches Erzeugen mehrerer unterschiedlicher akustischer Signale umfasst und der Schritt Empfangen der akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten ein Empfangen der mehrerer unterschiedlicher akustischer Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems umfasst.
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Wie bereits erwähnt sieht das Verfahren vor, dass auf Basis der Laufzeiten der akustischen Signale auf die Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem geschlossen wird. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung
- - ein Bestimmen einer Schallgeschwindigkeitsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten und
- - ein Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Schallgeschwindigkeitsverteilung im Mehrphasensystem
umfasst. Die Laufzeiten der akustischen Signale, werden also verwendet, um die Schallgeschwindigkeitsverteilung im Mehrphasensystem zu bestimmen. Bevorzugt werden die Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung in ein mehrdimensionales Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit überführt. Da in Mehrphasensystemen die Schallgeschwindigkeit maßgeblich vom lokalen Gasgehalt abhängt, kann in einem weiteren Schritt mittels der Auswerteeinrichtung das mehrdimensionale Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit in ein mehrdimensionales Skalarfeld des Gasgehaltes überführt werden, welches der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem entspricht. Beim Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit und beim Skalarfeld des Gasgehaltes handelt es sich bevorzugt um ein zweidimensionales Skalarfeld und besonders bevorzugt um ein dreidimensionales Skalarfeld.
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In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung ein Berücksichtigen von Korrelationsparametern des Mehrphasensystems und/oder ein Berücksichtigen der Messanordnung umfasst. Bevorzugt wird bei dem Bestimmen der Schallgeschwindigkeitsverteilung auf Basis der Laufzeiten die Messanordnung, insbesondere die Anordnung der akustischen Sende- und Empfangseinheiten zueinander und zu dem Reaktionskessel, berücksichtig. Weiter bevorzugt wird bei dem Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Schallgeschwindigkeitsverteilung die Korrelationsparameter des Mehrphasensystems berücksichtigt. Die Korrelationsparameter beschreiben den Zusammenhang zwischen dem Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit und dem Skalarfeld des Gasgehaltes und hängen vom Mehrphasensystem ab. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt Bestimmen der Korrelationsparameter des Mehrphasensystems umfasst. Die Korrelationsparameter des Mehrphasensystems, können beispielsweise mittels der Messanordnung bestimmt werden, indem die Flüssigphase des Mehrphasensystems und die Gasphase des Mehrphasensystems einzeln vermessen werden.
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Ebenfalls im Zusammenhang mit der Signalauswertung ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung ein Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen umfasst. Bevorzugt umfasst die Auswerteeinrichtung also den tomographischen Rekonstruktionsalgorithmus. Weiter bevorzugt bestimmt der tomographische Rekonstruktionsalgorithmus auf Basis der bestimmten Laufzeiten die Schallgeschwindigkeitsverteilung im Mehrphasensystem. Für die tomographische Rekonstruktion können algebraische, zellenbasierte Algorithmen wie beispielsweise die Simultaneous Iterative Reconstructive Technique (SIRT) oder die Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART) verwendet werden. Die zellbasierten tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen umfassen für zweidimensionale Skalarfelder pixelbasiert tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen und für dreidimensionale Skalarfelder voxelbasierte tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen. Die tomographischen Rekonstruktionsalgorithmen erlauben somit sowohl die Rekonstruktion von zwei- als auch von dreidimensionalen Schallgeschwindigkeitsverteilungen. Die zwei- bzw. dreidimensionale Schallgeschwindigkeitsverteilung kann anschließend in die zwei- bzw. dreidimensionale Gasgehaltsverteilung überführt werden. Insbesondere bei starker Inhomogenität im Mehrphasensystem kann eine Erweiterung der tomographischen Rekonstruktion durch Berücksichtigung der akustischen Refraktion sinnvoll sein, da die Ausbreitung des akustischen Signals in diesem Fall nicht geradlinig erfolgt. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Bestimmen gekrümmter akustischer Pfade mittels einer iterativen Methode erfolgt, wobei die iterative Methode in einem ersten Schritt von geradlinigen akustischen Pfaden ausgeht und derart das Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit bestimmt. In weiteren Schritten der iterativen Methode dient dieses Skalarfeld als Grundlage, um die gekrümmten akustischen Pfade zu ermitteln. Die erhaltenen gekrümmten Pfade werden im nächsten Schritt der iterativen Methode bei der erneuten Bestimmung des Skalarfeldes der Schallgeschwindigkeit berücksichtigt. Dieser Vorgang wird bevorzugt wiederholt, bis das Ergebnis konvergiert.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 zwei schematische Darstellungen aus unterschiedlicher Perspektive einer Messanordnung mit dezidierten Sendeeinheiten und dezidierten Empfangseinheiten, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit kombinierten Sende- und Empfangseinheiten, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 zwei schematische Darstellungen der Sende- und Empfangseinheiten, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 4 einen schematischen Aufbau der Messanordnung aus 2 und
- 5 ein Flussdiagramm mit den Schritten eines Verfahrens zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems mittels der Messanordnung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt zwei schematische Darstellungen einer Messanordnung 10 zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems aus unterschiedlicher Perspektive. Die Messanordnung 10 umfasst einen Reaktionskessel 12, eine Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 und eine Auswerteeinrichtung 18 (hier nicht gezeigt). Beim Reaktionskessel 12 handelt es sich um einen Batch-Reaktor mit 12 m3 Volumen, der eine zylinderartige Form aufweist, wobei 1a) die Messanordnung 10 von oben darstellt und der Reaktionskessel 12 somit kreisförmig ist. Der Reaktionskessel 12 ist dazu ausgestaltet, das Mehrphasensystem, im vorliegenden Fall ein Wasser-Luft-System, in sich aufzunehmen. Die akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 sind dazu ausgestaltet ein akustisches Signal zu erzeugen und zu empfangen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel in 1 sind als Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 dezidierte Sendeeinheiten 14 und dezidierte Empfangseinheiten 16 vorgesehen. Die Messanordnung 10 umfasst zwölf Sendeeinheiten 14 und zwölf Empfangseinheiten 16, wobei in 1a) aufgrund der gewählten Perspektive nur acht Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 sichtbar sind. Jeweils vier Sendeeinheiten 14 und vier Empfangseinheiten 16 sind innerhalb einer Ebene 20 entlang eines Umfanges des zylinderartigen Reaktionskessels 12 angeordnet, wobei sie gleichmäßig entlang des Umfanges verteilt sind und sich eine Sendeeinheit 14 jeweils mit einer Empfangseinheit 16 abwechselt. Diese Anordnung innerhalb der Ebene 20 wird dreimal widerholt, wobei die drei Ebenen 20 parallel zueinander sind und die Ebenen 20 den zylinderartigen Reaktionskessel 12 senkrecht zu seiner Rotationsachse schneiden. Im vorliegenden Fall sind die akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 auf einer Wandung 24, hier die Außenwandung des Reaktionskessels 12 angebracht.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Messanordnung 10. Hier sind im Vergleich zu 1 die akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 als kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16, sogenannten Transceivern ausgestaltet. Eine Ebene 20 weist acht kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 auf.
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Weiterhin sind in den 1 und 2 Messstrecken 22 zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 eingezeichnet. Die Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 sind derart angeordnet, dass alle Messstrecken 22 das Volumen des Reaktionskessels 12 durchlaufen. Bei den dezidierten Sendeeinheiten 14 und dezidierten Empfangseinheiten 16 aus 1 liegt die Messstrecke 22 immer zwischen einer dezidierten Sendeeinheiten 14 und einer dezidierten Empfangseinheiten 16. Bei den kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 in 2 liegt die Messstrecke 22 zwischen zwei kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16, so dass trotz gleicher Gesamtanzahl (nämlich acht) Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 pro Ebene 20 in 2 mehr Messstrecken 22 vorhanden sind als in 1. In 1 sind pro Ebene 20 sechzehn Messstrecken 22 vorhanden, in 2 sind pro Ebene 20 sechsundzwanzig Messstrecken 22 vorhanden. Im Verfahren zum Bestimmen der Gasgehaltsverteilung des Mehrphasensystems, dessen Schritte in 5 gezeigt sind, werden die Laufzeiten des akustischen Signals entlang dieser Messstrecken 22 bestimmt.
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3 zeigt zwei schematische Darstellungen der Sende- und Empfangseinheit 14, 16, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In 3a) ist die kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 als Monopolstrahler gezeigt. Die kombinierte Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 erzeugt also ein akustisches Signal in Form einer Kugelwelle. 3b) zeigt den Einbau der akustischen Sende- und Empfangseinheit 14, 16 in eine Wandung 24 des Reaktionskessels 12.
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4 zeigt einen schematischen Aufbau der Messanordnung aus 2, wobei dabei auch die Auswerteeinrichtung 18, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Computer, abgebildet ist. In 4 ist ersichtlich, dass die Messanordnung 10 nebst den akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 als weitere Bestandteile noch eine mehrkanalige Datenerfassungsvorrichtung 26, einen einkanaligen Funktionsgenerator 28, und eine Umschaltvorrichtung 30 umfasst. Weiterhin ist an 4 zu erkennen, dass die akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 kommunikationstechnisch mit der Auswerteeirichtung 18 verbunden sind.
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5 zeigt ein Flussdiagramm mit den Schritten des Verfahrens zum Bestimmen einer der Gasgehaltsverteilung des Mehrphasensystems mittels der Messanordnung 10, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren umfasst vier Schritte, wobei im ersten Schritt mit den Sendeeinheiten 14 die akustischen Signale erzeugt werden. Die akustischen Signale werden derart erzeugt, dass sie das Mehrphasensystem durchlaufen. Abgestimmt auf das Mehrphasensystem, im vorliegenden Fall das Luft-Wasser-System ist die Frequenz der akustischen Signale unterhalb von 3,1 kHz. Des Weiteren ist die Dauer der akustischen Signale 500 Millisekunden und die akustischen Signale sind als Chirp-Signale ausgeführt. Die akustischen Signale werden derart erzeugt, dass jeweils ein einzelnes Chirp-Signal von 500 Millisekunden Dauer von einer Sendeeinheit 14 erzeugt wird und dann eine Pause von 300 Millisekunden eingehalten wird. Danach wird ein weiteres einzelnes Chirp-Signal von 500 Millisekunden Dauer von einer weiteren Sendeeinheit 14 erzeugt. Die Sendeeinheiten 14 wechseln sich also beim Erzeugen des Signals ab.
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In einem weiteren Schritt werden die akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten 16 empfangen. Es wird also ein einzelnes Chirp-Signal von 500 Millisekunden Dauer von einer Sendeeinheit 14 erzeugt, welches von allen akustischen Empfangseinheiten 16 empfangen wird. In einem weiteren Schritt werden die Laufzeiten der akustischen Signale mittels der Auswerteeinrichtung 18, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Computer, bestimmt.
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Im letzten Schritt wird auf Basis der bestimmten Laufzeiten die Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem bestimmt. Dies wird mittels eines tomographische Rekonstruktionsalgorithmus umgesetzt, im vorliegenden Fall die Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART). Der tomographische Rekonstruktionsalgorithmus bestimmt auf Basis der Laufzeiten ein zweidimensionales Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit. Dabei berücksichtig der tomographische Rekonstruktionsalgorithmus die Messanordnung 10, also die Anordnung der akustischen Sende- und Empfangseinheiten 14, 16 zueinander und zu dem Reaktionskessel 12. Das Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit wird in einem nachgelagerten Schritt von der Auswerteeinrichtung 18 in ein zweidimensionales Skalarfeld des Gasgehaltes überführt. Hierbei berücksichtigt die Auswerteeinrichtung 18 zuvor bestimmte Korrelationsparameter des Mehrphasensystems. Die Korrelationsparameter beschreiben den Zusammenhang zwischen dem Skalarfeld der Schallgeschwindigkeit und dem Skalarfeld des Gasgehaltes und hängen vom Mehrphasensystem ab. Im vorliegenden Fall wird die Gasgehaltsverteilung innerhalb der Ebenen 20 zweidimensional aufgelöst bestimmt, wobei drei dieser Ebenen 20 vorliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messanordnung
- 12
- Reaktionskessel
- 14
- dezidierte Sendeeinheit, kombinierte Sende- und Empfangseinheit
- 16
- dezidierte Empfangseinheit, kombinierte Sende- und Empfangseinheit
- 18
- Auswerteeinrichtung
- 20
- Ebene
- 22
- Messstrecke
- 24
- Wandung
- 26
- mehrkanaligen Datenerfassung
- 28
- Funktionsgenerator
- 30
- Umschaltvorrichtungen
