1.3 Entwicklung einer Rohrsensorplattform für Inline-Prozessüberwachung

Die Überwachung von Fluideigenschaften wie die Viskosität ist in vielen industriellen Prozessen essenziell. Für sanitäre Anlagen ist die Reinigbarkeit ein zusätzlicher Faktor von enormer Bedeutung. Ein mechanischer Resonator wurde für die Inline-Viskositätsmessung entwickelt, der die Strömung nicht beeinflusst und mit den gängigen Standardverfahren zu reinigen ist. Dafür wurde ein umfangreiches, skalierbares Modell der Fluid-Struktur-Interaktion zwischen Resonator und Fluid entwickelt.

Mitwirkende: D. Brunner, G. Boiger Partner: Rheonics GmbH Finanzierung: Innosuisse, Rheonics GmbH Dauer: 2018–2021

Der in dieser Studie entwickelte Resonator basiert auf einem Rohr, wobei die Schwingung elektromagnetisch angeregt und gemessen wird. Das Funktionsprinzip basiert auf der Anregung des ersten Torsionsmodi und der anschliessenden Messung der Schwingung. Basierend auf dem gemessenen Signal kann die Dämpfung und Resonanzfrequenz bestimmt werden. Aus der gemessenen Dämpfung und Resonanzfrequenz lässt sich die Viskosität des Fluids bestimmen. Ein umfangreiches numerisches Modell des Rohrsensors wurde erfolgreichen entwickelt und validiert. Der Sensor aus der Validierungsstudie hatte einen Innendurchmesser von 5.25 mm (1). Für die meisten industriellen Prozesse werden jedoch grössere Rohrdurchmesser benötigt. Deshalb wurde das validierte Modell verwendet, um einen grösseren, funktionsgleichen Sensor zu bauen und anschliessend zu testen. Dieser grössere Resonator basiert auf einem Rohr mit 20 mm Innendurchmesser und ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Sensor wurde geeicht und anschiessen mittels diversen NIST-Viskositätsreferenzfluiden getestet. Es wurde das Produkt von Viskosität und Dichte in einem weiten Bereich von 1 bis 100'000 mPa.s gemessen, wobei die Messgrösse des Sensors (Bandbreite durch Resonanzfrequenz, Γ/f0) in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage des numerischen Modells war (Abbildung 2). Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Modells für die Entwicklung neuer, noch grösseren Sensoren.

Abbildung 1: DN20-Rohrsensor (links), DN20-Rohrsensor eingebaut in einen Flow-loop.

Abbildung 2: Bandbreite / Resonanzfrequenz (Γ/f0) gegen das Produkt von Viskosität und Dichte ρη für unterschiedliche Fluide und die Modellvorhersagen.

Quellenangabe:

1 D. Brunner, J. Goodbread, K. Häusler, S. Kumar, G. Boiger, H. Khawaja, Analysis of a Tubular Torsionally Resonating ViscosityDensity Sensor, MDPI Sensors, 2020, 20 (11), 3036. https://doi.org/10.3390/s20113036