DE102019128230A1 - Measurement arrangement and method for determining a gas content distribution - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (10) zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems, umfassend einen Reaktionskessel (12), eine Mehrzahl an akustischen Sende- und Empfangseinheiten (14, 16) und eine Auswerteeinrichtung (18), wobei der Reaktionskessel (12) dazu ausgestaltet ist, das Mehrphasensystem in sich aufzunehmen, wobei die akustischen Sende- und Empfangseinheiten (14, 16) kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinrichtung (18) verbindbar sind und dazu ausgestaltet sind, ein akustisches Signal zu erzeugen und zu empfangen, und wobei die Sende- und Empfangseinheiten (14, 16) derart angeordnet sind, dass eine Messstrecke (22) zwischen einer Sendeeinheit (14) und einer Empfangseinheit (16) wenigstens teilweise ein Volumen des Reaktionskessels (12) durchläuft. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Gasgehaltsverteilung des Mehrphasensystems, mittels der obigen Messanordnung (10), wobei das Mehrphasensystem vom Reaktionskessel aufgenommen ist und die akustischen Sende- und Empfangseinheiten (14, 16) kommunikationstechnisch mit der Auswerteeinrichtung (18) verbunden sind, umfassend die Schritte:- Erzeugen von akustischen Signalen mit den akustischen Sendeeinheiten (14), derart dass die akustischen Signale das Mehrphasensystem durchlaufen,- Empfangen der akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten (16),- Bestimmen von Laufzeiten der akustischen Signale mittels der Auswerteeinrichtung (18),- Bestimmen der Gasgehaltsverteilung im Mehrphasensystem auf Basis der bestimmten Laufzeiten mittels der Auswerteeinrichtung (18).The invention relates to a measuring arrangement (10) for determining a gas content distribution of a multiphase system, comprising a reaction vessel (12), a plurality of acoustic transmitting and receiving units (14, 16) and an evaluation device (18), the reaction vessel (12) being designed for this purpose is to accommodate the multi-phase system, the acoustic transmitting and receiving units (14, 16) being communicatively connectable to the evaluation device (18) and being designed to generate and receive an acoustic signal, and the transmitting and receiving units (14, 16) are arranged in such a way that a measuring section (22) between a transmitting unit (14) and a receiving unit (16) at least partially passes through a volume of the reaction vessel (12). The invention also relates to a method for determining the gas content distribution of the multiphase system by means of the above measuring arrangement (10), the multiphase system being received by the reaction vessel and the acoustic transmitting and receiving units (14, 16) being connected to the evaluation device (18) in terms of communication technology, comprising the steps of: - generating acoustic signals with the acoustic transmitting units (14) such that the acoustic signals run through the multi-phase system, - receiving the acoustic signals after running through the multi-phase system with the acoustic receiving units (16), - determining transit times of the acoustic signals by means of the evaluation device (18), - determining the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times by means of the evaluation device (18).
Description
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems.The invention relates to a measuring arrangement for determining a gas content distribution of a multiphase system.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems mittels der obigen Messanordnung.The invention also relates to a method for determining a gas content distribution of a multiphase system by means of the above measuring arrangement.
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.Mixing and stirring processes are used in large parts of industry and process engineering. Mixing and stirring processes in multi-phase systems with a liquid phase and a gas phase in a reaction vessel are of particular relevance in process engineering and occur in a large number of different processes. The gas phase can either be formed by direct introduction of gases into the liquid phase in the reaction vessel or arise inside the liquid phase as a product in chemical and / or biological reactions such as fermentation processes in biogas reactors. Targeted optimization of the system technology with regard to the agitator systems, baffles, heat exchangers, gas supply devices, supply lines, etc. used, as well as reliable process monitoring have been made more difficult due to the difficult accessibility of the processes in the reaction vessel.
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.Approaches to describe the processes in the reaction vessel that have been pursued up to now have different disadvantages. Electrical conductance measurements by means of measuring probes and / or spectroscopic measurements by means of optical probes only provide local values. The use of grid sensors, i.e. measuring probes arranged two-dimensionally like a grid, allow a two-dimensionally resolved measurement in the grid plane, however, due to the fine grid-like structure, grid probes are unsuitable for use in multi-phase systems with a high and / or coarse solid content.
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.The technology of non-invasive computed tomography based on ionizing radiation such as X-ray and / or gamma radiation offers the possibility of determining the gas content distribution spatially resolved even with a high solid content, but the measurement technology is associated with enormous effort, costs and radiation protection and is therefore ruled out for many applications .
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.Electrical resistance and impedance tomography (ERT, EIT) is a cost-effective, non-invasive alternative to the techniques listed above. It is based on the observation that electrical conductivities differ depending on the nature of the medium. When determining the gas content distribution in multiphase systems with a low gas concentration, however, according to Maxwell's relationship, only small changes in the electrical conductivity result, so that in these cases the measurement uncertainty usually exceeds the measured value itself. In particular, if there is an inhomogeneity of the conductivity of the liquid phase, the reliable determination of the gas content distribution becomes impossible in many cases.
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.Accordingly, it is the object of the invention to provide a measuring arrangement and a method for determining a gas content distribution of a multiphase system, wherein the gas content distribution can be determined reliably and with high accuracy, spatially resolved. In particular, a non-invasive determination of the gas content distribution should also be made possible with low gas concentrations and / or with a high proportion of solids.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by the features of the independent patent claims. Preferred developments can be found in the subclaims.
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.According to the invention, a measuring arrangement for determining a gas content distribution of a multiphase system is provided, comprising a reaction vessel, a plurality of acoustic transmitting and receiving units and an evaluation device, the reaction vessel being designed to accommodate the multiphase system, the acoustic transmitting and receiving units in terms of communication technology can be connected to the evaluation device and are configured to generate and receive an acoustic signal, and wherein the transmitting and receiving units are arranged such that a measuring section between a transmitting unit and a receiving unit at least partially passes through a volume of the reaction vessel.
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.The essence of the invention is that the gas content distribution in the multiphase system is determined by the multiphase system being penetrated with acoustic signals starting from the spatially distributed acoustic transmitter units and the acoustic signals being detected by the spatially distributed acoustic receiver units after passing through the multiphase system.
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.With regard to the measuring arrangement, it is provided that the measuring arrangement comprises the reaction vessel, which is designed to accommodate the multiphase system. The transmitting and receiving units are arranged in such a way that the measuring section is between a transmitting unit and a receiving unit at least partially passes through the volume of the reaction vessel. Thus, the acoustic signal generated by the transmitting unit will at least partially pass through the volume of the reaction vessel before it is received. In particular, the plurality of acoustic transmitting and receiving units define a measurement volume through their arrangement with respect to one another. It is preferably provided that the transmitting and receiving units are arranged in relation to the reaction vessel in such a way that there is an overlap between the measurement volume and the volume of the reaction vessel.
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.The multiphase system is preferably a multiphase system with at least one liquid phase and at least one gas phase. In addition to these two phases, further phases can also be present in the multiphase system, for example a solid phase or further liquid phases and / or gas phases. In particular, it is provided that the gas phase is also present as bubbles within the liquid phase.
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.The reaction vessel can be any device that allows the liquid and gas phases of the multiphase system to be taken up. It is therefore possible for the reaction vessel to completely delimit a space within which the multiphase system can be located, for example in the case of a batch reactor. Alternatively, the reaction vessel can be a flow reactor, with the multiphase system being able to flow through the flow reactor. For the purposes of the invention, reaction vessels are also to be understood as meaning through-flowable parts of the system, such as pipelines. Furthermore, it is not necessary for a chemical and / or biological reaction to take place in the reaction vessel. If the multiphase system is present in the reaction vessel, the gas phase of the multiphase system is limited by the volume of the reaction vessel. The liquid phase, within which there can also be a gas phase in the form of bubbles, is limited by the filling volume of the reaction vessel. If the multiphase system is present in the reaction vessel, with regard to the arrangement of the transmitting and receiving units, it is further preferably provided that there is an overlap between the measurement volume and the filling volume of the reaction vessel. Thus, the acoustic signal can preferably also run through the liquid phase of the multiphase system.
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.The reaction vessel is preferably a reaction vessel that is used as standard in process engineering in the pharmaceutical industry, chemical industry, biogas production and / or wastewater technology. The reaction vessel more preferably has a volume between 0.05 m 3 and 20,000 m 3 . In principle, the shape of the reaction vessel can be any. The shape of the reaction vessel is preferably such that at least a straight line between two points on the surface of the reaction vessel through the volume of the reaction vessel measures more than 10 cm.
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.It is also provided that the measuring arrangement comprises a plurality of acoustic transmitting and receiving units. According to the invention, the acoustic transmitter and receiver units comprise combined transmitter / receiver units, so-called transceivers, in which the acoustic signal can be generated and received by means of the combined transmitter / receiver unit, it being possible to switch between a transmit mode and a receive mode. Furthermore, acoustic transmitting and receiving units within the meaning of the invention include dedicated acoustic transmitting units and dedicated acoustic receiving units, that is to say separate devices for the transmitting unit and receiving unit. In this case, the transmitting unit is designed to generate the acoustic signal and the receiving unit is designed to receive the acoustic signal. That the measuring arrangement comprises a plurality of acoustic transmitting and receiving units means in the context of the invention that a) the measuring arrangement comprises a plurality of transceivers and / or b) the measuring arrangement comprises a plurality of dedicated transmitting units and a plurality of dedicated receiving units. When acoustic transmitter units are referred to below, this is understood to mean the dedicated acoustic transmitter unit and the combined transmitter / receiver unit in the transmission mode. The same applies to the acoustic receiving units, which means the dedicated acoustic receiving unit and the combined transceiver unit in the receiving mode. In principle, the person skilled in the art will choose the number of transmitting and receiving units to match the volume and / or filling volume of the reaction vessel. However, it is preferably provided that the measuring arrangement comprises at least three transceivers or at least three dedicated transmitting units and three dedicated receiving units. A higher number of transmitting and receiving units has the advantage that the gas content distribution can be determined with a higher spatial resolution.
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.The acoustic transmitting and receiving units can be connected to the evaluation device in terms of communication technology. The evaluation device can be designed as a computer. It is preferably provided that the acoustic transmission units are designed in such a way that they can generate an acoustic signal on the basis of an input signal from the evaluation device. It is further preferably provided that the acoustic receiving units are designed in such a way that they can generate data on the basis of the received acoustic signal, which data can be transmitted to the evaluation device. The measuring arrangement can In addition to the acoustic transmitter and receiver units and the evaluation device, further components for generating the acoustic signal, amplifying the acoustic signal, for switching between transmission mode and reception mode in transceivers and / or for switching between the dedicated transmitter units and dedicated receiver units as well as for data acquisition. These further components are preferably a multi-channel data acquisition device (DAQ), a single or multi-channel function generator, optionally one or more switching devices for switching between the transmission and reception mode in transceivers and / or for switching between the dedicated transmission units and dedicated reception units, and a signal amplifier . With regard to the acoustic signal generated by the transmitting unit, a preferred development provides that the transmitting units are monopole radiators and / or cardioid radiators. The acoustic signal is therefore preferably generated as a spherical wave or as a superposition of a sound field from a monopole radiator and a dipole radiator. It is furthermore preferably provided that the transmitting and receiving units are designed to generate and receive an acoustic signal in the frequency range below 16 kHz, particularly preferably in the frequency range from 0.01 to 14 kHz and more preferably from 0.1 to 10 kHz. Furthermore, the transmitting and receiving units can be made spherical or flat.
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.Furthermore, it is provided that the acoustic transmitting and receiving units are arranged in such a way that the measurement path between a transmitting unit and a receiving unit at least partially passes through the volume of the reaction vessel. In particular, this means that the acoustic transmitting and receiving units are arranged around the reaction vessel and / or are arranged in the reaction vessel in such a way that the acoustic signal generated can at least partially pass through the volume of the reaction vessel before it is received. In the case of transceivers, this means that the transceivers are arranged in relation to the reaction vessel in such a way that a measuring section which connects two transceivers runs at least partially through the volume of the reaction vessel. In the case of dedicated transmitting units and dedicated receiving units, this means that they are arranged in relation to the reaction vessel in such a way that a measuring section between a dedicated transmitting unit and a dedicated receiving unit at least partially passes through the volume of the reaction vessel. Preferably, all measuring sections, that is to say all possible connection sections between two transceivers, or all possible connection sections between the dedicated transmitting units and the dedicated receiving unit, at least partially run through the volume of the reaction vessel. Particularly preferably, the measuring sections at least partially pass through the filling volume of the reaction vessel.
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
- - outside the reaction vessel,
- - on one wall of the reaction vessel
- - In the wall of the reaction vessel, and / or
- - in the reaction vessel
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
- - within the volume of the reaction vessel,
- - on an enclosure surface,
- - along a line on the containment surface, and / or
- - along a line on the containment surface in a plane
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.
- - Generating acoustic signals with the acoustic transmitter units, in such a way that the acoustic signals pass through the multi-phase system,
- - Receiving the acoustic signals after passing through the multi-phase system with the acoustic receiving units,
- - Determination of transit times of the acoustic signals by means of the evaluation device,
- - Determination of the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times by means of the evaluation device.
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.As already mentioned, the essence of the invention is that the gas content distribution in the multi-phase system is determined in that the multi-phase system is penetrated by the acoustic signals and the acoustic signals are detected by the spatially distributed acoustic receiving units after passing through the multi-phase system. The gas content distribution in the multiphase system is deduced on the basis of transit times that the acoustic signals need to run through the measuring sections, the measuring sections at least partially leading through the multiphase system. The transmission units thus generate acoustic signals which are designed in such a way that they can run through the multi-phase system in order to be able to carry out a transit time measurement. The running time of the acoustic signal is preferably the time that the acoustic signal requires from the transmitter unit that generated the acoustic signal to the receiver units that receive the acoustic signal. In the case of transceivers, this means that the time of the acoustic signal is determined for a passage through the measuring sections that connect two transceivers to one another. In the case of dedicated transmitter units and dedicated receiver units, this means that the time of the acoustic signal for passing through the measurement paths that connects a dedicated transmitter unit to the dedicated receiver units is determined. Since the measuring section leads at least partially through the multi-phase system, a transit time measurement is only possible if the acoustic signals are not completely absorbed by the multi-phase system. The acoustic signals are preferably designed in such a way that influences of the signal attenuation and signal reflection of the multiphase system and / or of the reaction vessel are reduced. This makes it possible to measure large volumes and thus long measuring distances within the multi-phase system.
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.With regard to the configuration of the acoustic signals, a preferred development provides that the generation of acoustic signals with the acoustic transmitter units, such that the acoustic signals pass through the multi-phase system, generate acoustic signals Includes signals with a frequency and / or with a frequency spectrum in the subcritical range. The subcritical range describes signal frequencies below a resonance frequency of the radial pulsations of the bubbles in the multiphase system. The resonance frequency depends on several factors of the multiphase system. These factors include a surface tension of the bubbles, a size of the bubbles, a density behavior of the gas phase and the liquid phase, a compressibility behavior of the gas phase and the liquid phase, a temperature and a pressure. For example, in the case of air bubbles with a diameter of 2.2 mm in water at an equilibrium pressure of close to 1 bar, the resonance frequency is around 3.1 kHz. In this example, the frequency and / or the frequency spectrum of the acoustic signals should be below this limit of 3.1 kHz. In this context it is further preferably provided that the method comprises the step of determining the subcritical area of the multiphase system.
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.Furthermore, with regard to the configuration of the acoustic signals and according to a preferred development, the generation of acoustic signals with the acoustic transmitting units, such that the acoustic signals pass through the multi-phase system, includes generating acoustic signals with a limited duration. It is therefore preferably not a continuous acoustic signal, but acoustic signals that are limited in time and are preferably transmitted repeatedly. Signals of short duration are preferred in order to increase the measuring rate. Depending on the signal attenuation of the multi-phase system, general signal noise and signal strength, it can make sense to increase the signal length in order to achieve a more robust determination of the transit time. The duration of the signal also depends on the multiphase system and the frequency of the signal. However, the acoustic signal is preferably no longer than 10 seconds. The acoustic signal is more preferably not shorter than 0.1 milliseconds. The signal duration is particularly preferably between 1 millisecond and 5 seconds.
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.To determine the transit time, it is advantageous to have a clear autocorrelation behavior of the acoustic signals. In this context, with regard to the configuration of the acoustic signals, according to a preferred development, the generation of acoustic signals with the acoustic transmitter units, such that the acoustic signals pass through the multi-phase system, includes the generation of chirp signals and / or pseudo-random sequences. A signal whose frequency changes over time is referred to as a chirp signal. The frequency can increase or decrease over time. The frequency change can be linear or non-linear. A pseudo-random sequence is understood to mean a signal with a pseudo-random, binary sequence of individual signals. The pseudo-random sequence is preferably an MLS signal, English for Maximum Length Sequence. More preferably, all frequencies or the entire frequency spectrum of the chirp signal and / or the pseudo-random sequence are in the subcritical range.
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,
- - Generating acoustic signals with the acoustic transmission units, such that the acoustic signals pass through the multi-phase system, and
- - Receiving the acoustic signals after passing through the multi-phase system with the acoustic receiving units,
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.It can be provided that at a given point in time only one transmission unit of the plurality of transmission units generates an acoustic signal which is then detected by the plurality of reception units. As an alternative to this, it can be provided that two or more transmission units generate different acoustic signals at the same time or in a temporally overlapping manner in order to increase the measuring rate. Here, the different signals should have a low correlation with one another so that a clear determination of the transit time of the different acoustic signals is made possible. In this context, a preferred development provides that the step of generating acoustic signals with the acoustic transmitter units, such that the acoustic signals pass through the multi-phase system, includes the simultaneous generation of several different acoustic signals and the step of receiving the acoustic signals after passing through the multi-phase system with the acoustic receiving units, receiving the multiple different acoustic signals after passing through the multiphase system.
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
- - a determination of a sound velocity distribution in the multi-phase system on the basis of the determined transit times and
- - a determination of the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined sound velocity distribution in the multiphase system
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.In this context, a preferred development provides that determining the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times by means of the evaluation device includes taking into account correlation parameters of the multiphase system and / or taking into account the measuring arrangement. When determining the sound velocity distribution on the basis of the transit times, the measurement arrangement, in particular the arrangement of the acoustic transmitting and receiving units with respect to one another and with respect to the reaction vessel, is preferably taken into account. It is further preferred when determining the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined sound velocity distribution that the correlation parameters of the multiphase system are taken into account. The correlation parameters describe the relationship between the scalar field of the speed of sound and the scalar field of the gas content and depend on the multiphase system. In this context, it is preferably provided that the method includes the step of determining the correlation parameters of the multiphase system. The correlation parameters of the multiphase system can be determined, for example, by means of the measuring arrangement in that the liquid phase of the multiphase system and the gas phase of the multiphase system are measured individually.
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.Also in connection with the signal evaluation, a preferred development provides that determining the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times by means of the evaluation device includes determining the gas content distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times using tomographic reconstruction algorithms. The evaluation device therefore preferably comprises the tomographic reconstruction algorithm. The tomographic reconstruction algorithm further preferably determines the sound velocity distribution in the multiphase system on the basis of the determined transit times. Algebraic, cell-based algorithms such as the Simultaneous Iterative Reconstructive Technique (SIRT) or the Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART) can be used for the tomographic reconstruction. The cell-based tomographic reconstruction algorithms comprise pixel-based tomographic reconstruction algorithms for two-dimensional scalar fields and voxel-based tomographic reconstruction algorithms for three-dimensional scalar fields. The tomographic reconstruction algorithms thus allow the reconstruction of two- as well as three-dimensional sound velocity distributions. The two- or three-dimensional sound velocity distribution can then be converted into the two- or three-dimensional gas content distribution. In particular in the case of strong inhomogeneity in the multiphase system, an expansion of the tomographic reconstruction by taking into account the acoustic refraction can be useful, since the acoustic signal does not propagate in a straight line in this case. In this context, it is preferably provided that the determination of curved acoustic paths takes place by means of an iterative method, the iterative method starting from straight acoustic paths in a first step and thus determining the scalar field of the speed of sound. In further steps of the iterative method, this scalar field serves as the basis for determining the curved acoustic paths. The curved paths obtained are taken into account in the next step of the iterative method when the scalar field of the speed of sound is determined again. This process is preferably repeated until the result converges.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert.The invention is explained below by way of example with reference to the drawings using a preferred exemplary embodiment.
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 aus2 und -
5 ein Flussdiagramm mit den Schritten eines Verfahrens zum Bestimmen einer Gasgehaltsverteilung eines Mehrphasensystems mittels der Messanordnung, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
1 two schematic representations from different perspectives of a measuring arrangement with dedicated transmitting units and dedicated receiving units, according to a preferred embodiment of the invention, -
2 a schematic representation of a measuring arrangement with combined transmitting and receiving units, according to a further preferred embodiment of the invention, -
3 two schematic representations of the transmitting and receiving units, according to a further embodiment of the invention, -
4th a schematic structure of the measuring arrangement2 and -
5 a flowchart with the steps of a method for determining a gas content distribution of a multiphase system by means of the measuring arrangement, according to a preferred embodiment of the invention.
Weiterhin sind in den
In einem weiteren Schritt werden die akustischen Signale nach Durchlaufen des Mehrphasensystems mit den akustischen Empfangseinheiten
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
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 1212th
- ReaktionskesselReaction vessel
- 1414th
- dezidierte Sendeeinheit, kombinierte Sende- und Empfangseinheitdedicated sender unit, combined sender and receiver unit
- 1616
- dezidierte Empfangseinheit, kombinierte Sende- und EmpfangseinheitDedicated receiving unit, combined sending and receiving unit
- 1818th
- AuswerteeinrichtungEvaluation device
- 2020th
- Ebenelevel
- 2222nd
- MessstreckeMeasuring section
- 2424
- WandungWall
- 2626th
- mehrkanaligen Datenerfassungmulti-channel data acquisition
- 2828
- FunktionsgeneratorFunction generator
- 3030th
- UmschaltvorrichtungenSwitching devices
Claims (12)
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|---|---|---|---|
| DE102019128230.6A DE102019128230A1 (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Measurement arrangement and method for determining a gas content distribution |
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| DE102019128230A1 true DE102019128230A1 (en) | 2021-04-22 |
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ID=75269079
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102019128230.6A Pending DE102019128230A1 (en) | 2019-10-18 | 2019-10-18 | Measurement arrangement and method for determining a gas content distribution |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102019128230A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US20070157737A1 (en) * | 2005-05-27 | 2007-07-12 | Gysling Daniel L | Apparatus and method for measuring a parameter of a multiphase flow |
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-
2019
- 2019-10-18 DE DE102019128230.6A patent/DE102019128230A1/en active Pending
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