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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Durchflusses eines durch ein Rohr strömendes flüssigen Mediums, das mit Gas und/oder Partikeln beladen ist, wobei der Durchfluss des flüssigen Mediums mittels eines Durchflussmessgeräts bestimmt wird, welches an dem von dem flüssigen Medium durchströmten Rohr befestigt ist, wobei mindestens ein Akustikdetektor zur Aufnahme von akustischen Signalen in der Nähe des Durchflussmessgeräts vorgesehen ist, so dass der mindestens eine Akustikdetektor und das Durchflussmessgerät denselben definierten Abschnitt des Rohrs vermessen.
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Durchflussmessgeräte bestimmen und/oder überwachen den Durchfluss eines Mediums in einem Rohr mittels verschiedener Prinzipien, so gibt es magnetisch-induktive, Coriolis-, Ultraschall-, Vortex- und thermische Durchflussmessgeräte. In der Regel sind Durchflussmessgeräte für das Bestimmen eines Durchfluss eines flüssigen oder gasförmigen Mediums ausgelegt. Gas, in Form von Gasblasen, und/oder Partikeln in einem flüssigen Medium stören häufig die Bestimmung des Durchflusses des flüssigen Mediums.
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Vortex-Durchflussmessgeräte beispielsweise beruhen darauf, dass sich Wirbel alternierend von beiden Seiten eines umströmten Staukörpers in einer Rohrleitung ablösen und eine so genannte Kärmänsche Wirbelstraße bilden, wobei die Wirbel zu periodischen Druckschwankungen führen, die mit einem Wirbeldetektor zu erfassen sind. Die Ablösefrequenz der Wirbel ist für eine konkrete Messanordnung im Wesentlichen proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und zur Strouhalzahl, einer dimensionslosen Kennzahl. Durch Ermitteln der Wirbelfrequenz kann also in einfacher Weise die Durchflussgeschwindigkeit bzw. die Volumendurchflussrate ermittelt werden. Stöße von in einem flüssigen Medien mitgeführten Partikeln gegen den Staukörper können die Bestimmung des Durchflusses stören. Auch führen im flüssigen Medium mitgeführte Gasblasen zu einem falschen Ergebnis des Durchflusses, da der Anteil der flüssigen Phase um genau den Anteil der Gasblasen verringert ist.
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Ein Coriolis-Durchflussmessgerät weist mindestens ein schwingfähiges Messrohr auf, durch welches das zu messende Medium geführt wird, sowie einen Erreger zum Anregen von Vibrationsschwingungen des Messrohrs. Aus der Phasendifferenz der Messsignale zweier Sensoren, welche die Vibrationsschwingungen des Messrohrs erfassen, wird der Massedurchfluss bestimmt. Wenn ein in dem Messrohr geführtes flüssiges Medium mit Gas beladen ist, kommt es im schwingenden Messrohr zu Relativbewegungen zwischen dem Medium und dem Messrohr bzw. zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase, so dass der Durchfluss hinsichtlich der Beladung des flüssigen Mediums mit Gas korrigiert werden muss.
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Dazu ist es aus der
DE 10 2016 005 547 A1 und der
DE 10 2016 114 974 A1 bekannt geworden, dass die jeweilige Eigenfrequenz von zwei unterschiedlichen Biegeschwingungsmoden eines Coriolis-Durchflussmessgeräts für die Korrektur des Massedurchfluss bei einer Beladung des Mediums mit Gas herangezogen werden kann.
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Die
WO 2005/010470 A2 offenbart ein Gasvolumenanteil-Messgerät, welches in Verbindung mit einem Coriolis-Durchflussmessgerät den Gasvolumenanteil bei der Bestimmung des Durchflusses eines mit Gas beladenen Mediums kompensieren soll. Dafür bestimmt das Gasvolumenanteil-Messgerät die Schallgeschwindigkeit des Mediums, beispielsweise mittels zweier Ultraschallsensoren, aus welcher dann der Gasvolumenanteil des Mediums berechnet wird.
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Die
EP 1 565 709 B1 beschreibt eine Vorrichtung, bestehend aus einem Prozessor und zwei Messvorrichtungsbereichen, welche bevorzugt jeweils aus mindestens zwei Drucksensoren bestehen und von welchen der erste Messvorrichtungsbereich einen Durchfluss und der zweite eine Schallgeschwindigkeit neben Temperatur und Druck bestimmt. Der Prozessor bestimmt dann aus von dem zweiten Messvorrichtungsbereich bestimmten Größen den Gasvolumenanteil und korrigiert damit die Messung des ersten Messvorrichtungsbereich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches auf einfache Weise die Bestimmung des Durchflusses eines mit Gas und/oder Partikeln beladenen Mediums ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Durchflusses eines durch ein Rohr strömendes flüssigen Mediums, das mit Gas und/oder Partikeln beladen ist, wobei der Durchfluss des flüssigen Mediums mittels eines Durchflussmessgeräts bestimmt wird, welches an dem von dem flüssigen Medium durchströmten Rohr befestigt ist, wobei mindestens ein Akustikdetektor zur Aufnahme von akustischen Signalen in der Nähe des Durchflussmessgeräts vorgesehen ist, so dass der mindestens eine Akustikdetektor und das Durchflussmessgerät denselben definierten Abschnitt des Rohrs vermessen, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- - Bestimmung des Durchflusses des flüssigen Mediums mittels des Durchflussmessgeräts,
- - Aufnahme der akustischen Signale des flüssigen Mediums mittels des mindestens einen Akustikdetektors,
- - Ermittlung mindestens einer Eigenschaft des flüssigen Mediums betreffend die Beladung des flüssigen Mediums mit Gas und/oder Partikeln anhand der bestimmten akustischen Signale,
- - Korrektur des von dem Durchflussmessgerät bestimmten Durchflusses anhand der ermittelten mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums.
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Der große Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass lediglich ein einzelner Akustikdetektor benötigt wird, um einen vom Durchflussmessgerät bestimmten Durchfluss bezüglich der Beladung des flüssigen Mediums mit Gas und/oder Partikeln zu korrigieren. Der Akustikdetektor sollte so angebracht sein, dass dieser denselben definierten Abschnitt des Rohrs wie das Durchflussmessgerät vermisst, um die von Akustikdetektor aufgenommenen akustischen Signale mit dem vom Durchflussmessgerät bestimmten Durchfluss zu korrelieren.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist aufgrund der Verwendung des Akustikdetektors außerdem unabhängig von dem verwendeten Durchflussmessgerät. Es muss lediglich bekannt sein, wie der vom Durchflussmessgerät bestimmte Durchfluss hinsichtlich der mindestens einen Eigenschaft des mit Gas und/oder Partikeln beladenen flüssigen Mediums korrigiert werden muss, bzw. wie der Durchfluss je nach verwendeter Methode des Durchflussmessgeräts mit der mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums korreliert. Da der bestimmte Durchfluss des flüssigen Mediums entweder ein Massendurchfluss oder ein Volumendurchfluss ist, muss folglich die Verringerung der Masse oder des Volumens des flüssigen Mediums durch die Beladung mit Gas und/oder Partikeln berücksichtigt werden.
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In einer möglichen Ausgestaltung werden mittels des Akustikdetektors eine Vielzahl von Datensätzen von akustischen Signalen verschiedener flüssiger, mit Gas und/oder Partikeln beladener Medien als Referenzdatensätze generiert, bei welchen jeweils mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums bekannt ist. Um den bestimmen Durchfluss anhand der akustischen Signale korrigieren zu können, werden Referenzdatensätze benötigt. Aus diesen kann idealerweise eine grundlegende Beziehung zwischen den akustischen Signalen und der mindestens einen ermittelten Eigenschaft des flüssigen Mediums betreffend die Beladung des flüssigen Mediums ermittelt werden. Dabei ist es von Vorteil eine große Zahl von Referenzdatensätzen mittels des Akustikdetektors aufzunehmen, um nachher die mindestens eine Eigenschaft des beladenen flüssigen Mediums präzise bestimmen zu können.
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Vorteilhafterweise wird die Vielzahl von Referenzdatensätzen als Referenzkatalog gespeichert. So sind die Referenzdatensätze auf einfache Weise zugänglich und können für die Auswertung der aufgenommen akustischen Signale eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der Referenzkatalog im Akustikdetektor und/oder in einer Cloud und/oder in einer externen Auswerteeinheit gespeichert. Im Prinzip kann der Referenzkatalog auf allen üblichen Einheiten gespeichert werden, auf welchen eine Speicherung und/oder Auswertung der Referenzdatensätze erfolgen kann, bevorzugt werden die genannten Beispiele eingesetzt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass anhand des Vergleichs des Referenzkatalogs mit den vom Akustikdetektor bestimmten akustischen Signalen des flüssigen Mediums, welches mit Gas und/oder Partikeln beladen ist, mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums ermittelt wird. Ist die Beziehung zwischen den akustischen Signalen und der mindestens einen ermittelten Eigenschaft des flüssigen Mediums betreffend die Beladung des flüssigen Mediums mit Gas und/oder Partikeln vorab ermittelt worden, lässt sich nun auf einfache Weise aus den bestimmten akustischen Signalen des flüssigen Mediums mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums ermitteln.
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Bevorzugterweise wird die mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums mittels einer Berechnungseinheit ermittelt, welche dazu ausgestaltet ist, das Erkennen der mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums zu erlernen. Dazu werden der Berechnungseinheit idealerweise die generierten Referenzdatensätze vorgelegt, anhand deren die Berechnungseinheit Korrelationen zwischen den akustischen Signalen und der mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums zu erkennen lernt.
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Vorteilhafterweise wird als Berechnungseinheit eine mit künstlicher Intelligenz ausgestattete Berechnungseinheit verwendet. Bei dem Lernprozess, den die Berechnungseinheit anhand der ihr vorgelegten Referenzdatensätze durchläuft, kann es sich sowohl um einen überwachten (engl. supervised) als auch um einen nicht-überwachten (engl. unsupervised) Lernprozess handeln.
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In einer möglichen Ausgestaltung wird als Akustikdetektor ein Mikrofon und/oder ein Accelerometer verwendet. Beide Alternativen stellen eine günstige Version eines Akustikdetektors dar, der auf einfache Weise am vom flüssigen Medium durchströmten Rohr befestigt werden kann.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass als Akustikdetektor insbesondere ein Smartphone mit einem integrierten Mikrofon verwendet wird. Insbesondere Smartphones sind allgegenwärtig und können schnell und einfach am Rohr befestigt werden, um in kurzer Zeit eine Vielzahl von akustischen Signalen aufzunehmen. Beispielsweise kann es ausreichen, das Smartphone an das Rohr zu halten, um die akustischen Signale zu sammeln. Dies ist besonders interessant für das Generieren der Referenzdatensätze, das mit einem Smartphone schnell und mit einem hohen Durchsatz erfolgen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass der Akustikdetektor invasiv oder nicht-invasiv am Rohr eingebracht wird. Der Akustikdetektor kann im Rohr selbst eingebracht oder von außen am Rohr befestigt sein. Denkbar wäre es beispielsweise den Akustikdetektor an das Rohr zu schnallen oder eine Halterung für den Akustikdetektor am Rohr bereitzustellen.
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Vorteilhafterweise wird als mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums eine Beladung mit Gas und/oder Partikeln, sowie eine Größe und/oder eine Größenverteilung und/oder eine Dichte der Gasblasen und/oder Partikeln ermittelt. Wie eingangs beschrieben, stören vorhandene Gasblasen und/oder Partikeln die Bestimmung des Durchfluss eines flüssigen Mediums. Daher ist es von Vorteil beispielsweise die Beladung mit Gas und/oder Partikeln zu bestimmen, um den Durchfluss entsprechend korrigieren zu können. Detailreiche Kenntnisse über die Beladung mit Gas und/oder Partikeln verbessern die Korrektur des Durchflusses, weshalb idealerweise gleich mehrere Eigenschaften des flüssigen Mediums hinsichtlich seiner Beladung ermittelt werden. So lässt sich die Korrektur des Durchflusses des flüssigen Mediums noch verfeinern, indem die Dichte, Größe und/oder Größenverteilung der Gasblasen und/oder Partikeln bestimmt werden.
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Bevorzugterweise wird ein Körperschall als Hintergrundsignal aus den akustischen Signalen bestimmt. Der Körperschall von den Geräten aus der Peripherie des Durchflussmessgeräts bzw. des Akustikdetektors wird über das Rohr verbreitet und kann vom Akustikdetektor aufgenommen werden. Typischerweise weist der Körperschall eher niedrige Frequenzen auf, beispielsweise unter 100 Hz, während Gasblasen in einem flüssigen Medium akustische Signale bei deutlich höheren Frequenzen verursachen. So lässt sich der Körperschall anhand einer geeigneten Auswahl an Frequenzen aus den aufgenommenen akustischen Signalen herausfiltern.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird der Ist-Wert der ermittelten mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums mit einem gewünschten Soll-Wert der mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums verglichen, um im Falle einer Abweichung des Ist-Werts von dem gewünschten Soll-Wert mindestens einen Parameter des Prozesses anzupassen, um den gewünschten Soll-Wert der mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums zu erreichen. Je nach Medium kann es durchaus gewünscht sein eine definierte Beladung mit Gasblasen und/oder Partikeln zu erreichen. Ein einfaches Beispiel ist Frischkäse, der typischerweise mit Stickstoff aufgeschäumt wird, um die Konsistenz und den Geschmack für den Konsumenten zu verbessern. Dabei spielt nicht nur der Anteil der Gasblasen eine Rolle, sondern beispielsweise auch die Größe und Größenverteilung der Gasblasen im Frischkäse, da diese für das Mundgefühl des Frischkäses eine große Rolle spielen. Die ermittelte mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums, welche beispielsweise die Größe der Gasblasen im Frischkäse ist, kann dann mit dem gewünschten Größe der Gasblasen verglichen werden. Bei einer Abweichung der tatsächlichen Größe von der gewünschten Größe der Gasblasen kann dann beispielsweise die Zufuhr von Stickstoff in den Frischkäse entsprechend nachreguliert werden.
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Die vorliegende Erfindung soll anhand der nachfolgenden Figuren näher erläuterte werden. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2: eine Grafik, welche den Zusammenhang zwischen Schallintensität und der Beladung des flüssigen Mediums mit Gas angibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen eines Durchflusses eines durch ein Rohr strömendes flüssigen Mediums, das mit Gas und/oder Partikeln beladen ist, wobei der Durchfluss des flüssigen Mediums mittels eines Durchflussmessgeräts bestimmt wird, welches an dem von dem flüssigen Medium durchströmten Rohr befestigt ist. Das Verfahren ist in Verbindung mit jeder Art von Durchflussmessgerät einsetzbar, eine Beschränkung findet nicht statt. Die verschiedenen Arten von Durchflussmessgeräten sowie ihre Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden nicht näher erläutert. Zusätzlich wird mindestens ein Akustikdetektor zur Aufnahme von akustischen Signalen in der Nähe des Durchflussmessgeräts eingesetzt, so dass der mindestens eine Akustikdetektor und das Durchflussmessgerät denselben definierten Abschnitt des Rohrs vermessen. Der mindestens eine Akustikdetektor kann beispielsweise ein Mikrofon und/oder ein Accelerometer sein, wobei das Mikrofon beispielsweise Teil eines Smartphones sein kann. Für die Anbringung des mindestens einen Akustikdetektors am Rohr sind viele invasive oder nicht-invasive Szenarien ohne jegliche Einschränkung vorstellbar.
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Im ersten Schritt (1) des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie in 1 gezeigt, wird der Durchfluss des flüssigen und mit Gas und/oder Partikeln beladenen Mediums mittels des Durchflussmessgeräts bestimmt. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik für viele Typen von Durchflussmessgeräten hinlänglich bekannt und wird nicht näher beschrieben. Im zweiten Schritt (2) nimmt der mindestens eine Akustikdetektor die akustischen Signale des flüssigen Mediums auf. Anschließend, im dritten Schritt (3), wird anhand der bestimmten akustischen Signale mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums betreffend die Beladung des flüssigen Mediums mit Gas und/oder Partikeln ermittelt.
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Beispielsweise kann hierzu ein Referenzkatalog als Vergleich herangezogen werden. Dieser Referenzkatalog besteht aus einer Vielzahl von Referenzdatensätzen, welche mit dem Akustikdetektor vorab aufgenommen wurden. Jeder Referenzdatensatz repräsentiert die akustischen Signale eines flüssigen, mit Gas und/oder Partikeln beladenen Mediums, bei welchem zumindest eine Eigenschaft des flüssigen Mediums bekannt ist. Der daraus gebildete Referenzkatalog kann beispielsweise in einer Cloud und/oder im Akustikdetektor und/oder in einer externen Auswerteeinheit hinterlegt sein. Die mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums kann beispielsweise mit einer Berechnungseinheit, wie unter anderem eine mit künstlicher Intelligenz ausgestattete Berechnungseinheit, ermittelt werden, wobei diese zunächst erlernen muss, die mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums zu erkennen. Dies kann beispielsweise anhand des genannten Referenzkatalogs erfolgen.
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Im finalen Schritt (4) wird schließlich der vom Durchflussmessgerät bestimmte Durchfluss anhand der ermittelten mindestens einen Eigenschaft des flüssigen Mediums korrigiert. Die mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums kann dabei unter anderem eine Beladung mit Gas und/oder Partikeln sein oder die Größe und/oder Größenverteilung und/oder die Dichte der Gasblasen und/oder Partikeln. Die ermittelte mindestens eine Eigenschaft des flüssigen Mediums lässt sich beispielsweise auch einsetzen, um mindestens einen Parameter eines Prozess anzupassen, welcher die mindestens eine Eigenschaft beeinflusst und diese im Falle einer Abweichung des Ist-Werts von gewünschten Soll-Wert wieder auf den gewünschten Soll-Wert einstellt. Zusätzlich kann beispielsweise auch der Körperschall aus umgebenden Geräten, welches als Hintergrundsignal in den akustischen Signalen auftaucht, bestimmt werden, z. B. indem die isoliert diejenigen Frequenzen betrachtet werden, bei denen der Körperschall für gewöhnlich auftritt.
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In 2 ist beispielhaft die Schallintensität (in arbitrary units, a.u.), also die Intensität der akustischen Signale, gegenüber der Beladung mit Gas bzw. der Gasanteil des Mediums in Prozent aufgetragen. Dazu wurden mittels eines Mikrofons die akustischen Signale eines flüssigen Mediums bei verschiedenen Gasbeladungen gemessen. Anschließend wurde der niederfrequente Körperschall durch einen Hochpassfilter mit einem Grenzwert von 500 Hz herausgefiltert. Der Anstieg der Lautstärke bzw. der Schallintensität mit steigender Gasbeladung des flüssigen Mediums ist eindeutig erkennbar, so dass beispielsweise aus der Lautstärke ein Hinweis auf die Beladung des flüssigen Mediums mit Gas erhalten werden kann. Die Lautstärke bei bestimmten Frequenzen oder Frequenzbändern kann weiterhin hinsichtlich der Größe und/oder Größenverteilung und/oder die Dichte der Gasblasen und/oder Partikeln analysiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016005547 A1 [0005]
- DE 102016114974 A1 [0005]
- WO 2005/010470 A2 [0006]
- EP 1565709 B1 [0007]
