DE19681587C2

DE19681587C2 - Messung der Oberflächenspannung in einer Umgebung unter Druck

Info

Publication number: DE19681587C2
Application number: DE19681587T
Authority: DE
Inventors: Tanya Christensen; Alexander F Teichmann; Victor P Janule
Original assignee: CHEM DYNE RES CORP
Current assignee: CHEM DYNE RES CORP
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: WO1997013138A2; WO1997013138A3; JPH11513492A; DE19681587T1

Description

Das Verfahren des maximalen differentiellen Blasendruckes unter Verwendung zweier Öff nungen unterschiedlicher Durchmesser, die in die Oberfläche eines Fluids eingetaucht wer den, wurde vor über 15 Jahren entsprechend der Beschreibung in dem US-Patent 4,416,148 für anpaßbar erachtet für das Messen in einer Umgebung unter Druck bzw. Druckumgebung bei einem Druck von nominal bis zu 10 psig bei 25°C. Die Spitzenwerter fassung mit elektronischer Hardware für die Messung der Oberflächenspannung für ein Fluid mit der Technik des modifizierten, maximalen, differentiellen Blasendruckes wurde für Nichtviskosefluids für ausreichend angesehen sowie für Fluids, die unter Bedingungen ohne Druck geprüft wurden. Die Hardware-Spitzenwerterfassung ist auf Wandlerausgangssignale beschränkt, die im Wert unipolar (positiv) sind, nominell zwischen 0 bis 5 oder 0 bis 10 Volt Gleichstrom. Schaltkreise des Hardware-Spitzenwerterfassungsdetektors werden jedoch bei einem Nulldurchgang falsch ausgelöst bzw. getriggert.

Spitzenwerterfassungssschaltkreise mit elektronischer Hardware haben eine Anzahl weiterer Beschränkungen, wenn gewisse pneumatische Bedingungen die Wellenform des differentiel len Druckes (Differentialdruckwellenform) durch Erzeugung falscher Spitzenwerte verändern, welche den Hardware-Spitzenwertdetektor triggern bzw. auslösen. Hardware-Spitzendetekto ren können falsch triggern (siehe Fig. 4) auf Drucksignalschwankungen, welche durch Kapil larwirkung hervorgerufen werden, wenn Öffnungen mit einem Innendurchmesser von 0,1 mm oder größer an der Position der kleinen Öffnung verwendet werden. Sobald die Viskosität einer Flüssigkeit ansteigt, gibt es einen erhöhten hydrodynamischen Widerstand der Flüssig keit gegen eine sich bewegende Blase. Sehr viskose Fluide und Fluide mit einer hohen Kon zentration an suspendierten Feststoffen lassen elektronische Spitzenwertdetektoren falsch triggern. Größere pneumatische Drücke, die zur Überwindung des erhöhten hydrodynami schen Widerstandes an einer Öffnung erforderlich sind, können unstabile oder verrauschte Wellenformen hervorrufen.

Das Absenken der Amplitude der Differentialdruckwellenform reduziert die Amplitude der fal schen Spitzenwerte proportional, so daß der Spitzenwertdetektor mit elektronischer Hardware von den falschen Spitzenwerten nicht mehr ausgelöst wird; dies kann jedoch die Amplitude der Wellenform in Fluiden mit niedrigerer Oberflächenspannung bis zu dem Punkt absenken, wo sie den elektronischen Spitzenwertdetektor nicht mehr triggern. In dieser Situation ist es nicht mehr möglich, das Instrument in einem Kalibrierfluid eines Tiefpunkt-Standards, wie zum Beispiel Alkohol, zu kalibrieren.

Der Spitzenwertdetektor mit elektronischer Hardware triggert auch falsch auf eine Wellenform mit verrauschten Schwingungen bzw. Oszillationen, die sich ergeben, wenn das gemessene Testfluid unter Druck gesetzt wird. Mengendurchflußsteuergeräte, die erforderlich sind, um in einer Umgebung mit zunehmendem Druck zu arbeiten, rufen eine maximale Blasendruckwel lenform hervor, die zwischen Blasen zunehmend unstabil wird (Fig. 6). Große Oszillationen treten nach dem Freisetzen jeder Blase auf, bevor sich das System stabilisiert und die näch ste Blase durchgeblasen wird.

In einer Umgebung ohne Druck bleibt die Blasenrate konstant, wenn die Fließrate mit Men gendurchflußkontrollgeräten eingestellt ist. In einer Umgebung mit zunehmendem Druck nimmt jedoch, obwohl der maximale Blasendruck konstant bleibt und deshalb die Oberflä chenspannung konstant bleibt, die Blasenrate mit zunehmendem Druck ab (geht langsam herunter; siehe Fig. 4 und 6).

Spitzenwerterfassungsschaltkreise mit elektronischer Hardware sind ferner beim Ansprechen auf verschiedene Amplituden- und Frequenzveränderungen der maximalen Blasendruckwel lenform begrenzt, und Wellenformgestaltungen ändern sich, wenn die Blasenrate geändert wird und wenn die Fluidviskosität zunimmt. Bei einer Blase pro Sekunde verläuft die Wellen form entlang einer Sägezahnkonfiguration (Fig. 4), wo ein lineares, positives Gefälle der Druckzunahme folgt, wenn die Blase zu dem Punkt ihres maximalen Blasendruckes aufge baut wird. Wenn eine Blase freigesetzt wird, gibt es einen scharfen Abfall (negative Abwärts neigung), gefolgt von einer augenblicklichen Rückdruck- und Kapillarwirkung, bevor sich der Druck innerhalb des Rohres ausgleicht und die nächste Blase sich zu bilden beginnt. Die po sitive Neigung bzw. das Gefälle wird gewöhnlich als "Oberflächenalter" der Blase bezeichnet, während der Rest gewöhnlich als "Totzeit" bezeichnet wird (Fig. 5).

Ein idealer Hardware-Spitzenwertdetektor sollte nur den (positiven) Teil der Sägezahnwelle für das Oberflächenalter nachsteuern bzw. verfolgen, bis er ein richtiges Maximum erreicht hat, diesen Maximumwert einfangen, ein Rücksetzsignal triggern durch Erfassen des nach folgenden Abfalles (negative Abwärtsneigung) und dann den nächsten richtigen Spitzenwert nachsteuern.

Die Totzeit einer Sägezahnwellenform ist begrenzt und hängt von der Rheologie des Fluids, dem Durchmesser und dem Aufbau der Öffnung und den Druckeigenschaften der Massen flußsteuergeräte ab. Sobald die Blasenrate steigt, wird die Totzeit ein größerer Anteil des zeitlichen Blasenintervalles von Spitzenwert zu Spitzenwert bzw. Spitze zu Spitze. Bei einer Blase pro Sekunde (Fig. 4) übersteigt das Oberflächenalter in typischer Weise 90% des Bla senintervalles, während bei 35 oder mehr Blasen pro Sekunde das Oberflächenalter weniger als 10% des Blasenintervalles sein kann (Fig. 5).

Mengendurchflußsteuergeräte werden für einen speziellen Durchfluß eingestellt, wenn ein Instrument eingerichtet und kalibriert wird; die Blasenrate ändert sich jedoch, wenn sich die Oberflächenspannung des Fluids ändert, obwohl der Durchfluß fest bleibt. Ein Spitzenwertde tektor muß flexibel genug sein, um alle möglichen Blasenbereiche abzudecken. Zum Beispiel erzeugt eine Durchflußeinstellung, welche eine Blase pro Sekunde in Wasser mit einer Ober flächenspannung im Bereich von 70 + dyn/cm erzeugt, mehr als drei Blasen pro Sekunde in Alkohol bei einer Oberflächenspannung in typischer Weise im Bereich von 20 + dyn/cm. Die Wellenformamplitude in Alkohol ist wegen der geringeren Oberflächenspannung des Alkohols viel kleiner. Elektronische Schaltkreise für die Spitzenwerterfassung haben nicht die Fähig keit, verschiedene Rauschoszillationen und Signalkombinationen wie beschrieben zu ignorie ren.

In der US-4,527,421 ist das Verfahren des maximalen Differenzdrucks der Blasen beschrie ben. Hier wird jedoch ein Druckabfall, der sich zwischen der Öffnung, d. h. dem Punkt der Bla senerzeugung, und dem Transducer, d. h. dem Punkt der Blasendruckmessung, ausbildet, nicht korrigiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Spitzenwerterkennungsprogramm mit moderner Soft ware vorgesehen, um die angetroffenen Probleme, wenn Hardware-Spitzenwerterkennung verwendet wird, zu lösen und eine genaue Messung der Oberflächenspannung zu gestatten. Das sich ergebende Softwareprogramm, welches bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann mit kleineren Hardwaremodifikationen auf die genaue Messung der Oberflächen spannung viskoser Fluids und Fluids mit hohem Feststoffgehalt sowohl in normaler Umge bung als auch unter Druckbedingungen ausgedehnt werden.

Derzeit befindet sich kein Instrument mit kontinuierlicher Verarbeitung für Oberflächenspan nungsmessungen unter Druck auf dem Markt. Es gibt Bedarf für ein solches Instrument, um die Oberflächenspannung von unter Druck stehenden, verflüssigten Gasen zu messen (zum Beispiel Erdgas, Freon und Freonersatzstoffe), und zwar in Latexpolymerisationsreaktoren und in Flüssigkeiten und thermoplastischen Materialien, die unter hohem Druck erzeugt oder bei diesem umgearbeitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenspan nung einer Flüssigkeit unabhängig von dem Druckumfeld des Behälters zu schaffen, welcher die Flüssigkeit faßt, oder unabhängig von der Eintauchtiefe der Prüfköpfe unter der Oberflä che der Flüssigkeit.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Schaffung eines Software- und Hardwaremittels, um das Steuerventil des Mengendurchflußsteuergerätes in seine vollständig offene Position zu öffnen, um den Durchfluß durch die Mengendurchflußsteuergeräte auf ein Maximum zu erhö hen und die Prüfköpfe während derjenigen Zeit zu reinigen, während der ein Kessel, ein Re aktor oder ein Rohr unter Druck gesetzt wird, um den Rückfluß von Flüssigkeit in die Prüfköp fe und insbesondere Fluids mit einer hohen Festkörperkonzentration zu verhindern, die ein Verstopfen der Prüfköpfe verursachen könnte. Die Reinigungsfähigkeit kann auch verwendet werden als ein Mittel zum Durchgängigmachen der Prüfköpfe während des normalen Produk tionszyklus, wenn es notwendig sein sollte.

Weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist die Schaffung eines Mehrfachwandlersystems, sodaß die zwei Abtastöffnungen körperlich entkoppelt werden und die Spitzenwerte maxi malen Blasendruckes von jedem der zwei Öffnungssignale individuell gemittelt werden. Der maximale Durchschnitt bzw. der maximale Mittelwert des Signals aus der großen Öffnung wird elektronisch von dem maximalen Mittelwert des Signals aus der kleinen Öffnung subtra hiert, um einen extrem genauen maximalen Wert des differentiellen Blasendruckes vorzuse hen, und zwar direkt proportional zur Oberflächenspannung. Bei hochviskosen Fluids kann das Verhältnis der Blasenraten so eingestellt werden, daß der Oberflächenspannungswert von den Viskositätseffekten unabhängig wird. Dies ist in Umgebungen sowohl mit als auch ohne Druck anwendbar.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines flexiblen, modularen bzw. bau steinartigen und mechanisch austauschbaren Mittels zur Veränderung der Eintauchlänge, Ausrichtung und Position von Prüfköpfen zur Messung der Oberflächenspannung, Tempera tur und anderer ähnlicher Messungen in einem Kessel, Reaktor oder Rohrabschnitt, und zwar sowohl in normaler Umgebung als auch Druckumgebung. Dieses mechanische Mittel weist einen porösen Korb am Ende des Prüfkopfes auf, welcher die Wirkung des Abscherens oder der Turbulenz, die sonst für die freie Information der Blasen an den Prüfkopföffnungen schäd lich wäre, aus dem Fluß oder Gemisch des Fluids in dem Kessel, Reaktor oder Rohr mildert, während gleichzeitig der freie, nicht turbulente Fluß des Fluids an den Spannungsöffnungen und zugeordneten Temperatur- oder anderen Meßprüfköpfen vorbei ermöglicht wird.

Die eingangs genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Mittel zum automatischen aufein anderfolgenden Einstellen von Einstellungen der Durchflußsteuergeräte und Erzeugen von dynamischen Oberflächenspannungskurven unter Verwendung einer sequentiellen Durch flußsteuereinstellungs-/Kalibrierfolge vorgesehen sind.

Weitere Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei bung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen und Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein kombiniertes pneumatisches und elektrisches Blockdiagramm unter Dar stellung der Bestandteile mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines einzelnen Differentialdruckwandlers und zweier Men gendurchflußsteuergeräte;

Fig. 2 ist ein kombiniertes pneumatisches und elektronisches Blockdiagramm ähnlich der Fig. 1 unter Darstellung der Bestandteile mit einer alternativen Anordnung, welche zwei Differentialdruckwandler und drei Mengendurchflußsteuergeräte verwendet;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer modularen Prüfkopfanordnung für die Ver wendung in Kesseln, Reaktoren oder Prozeßrohrabschnitten mit und ohne Druck unter Darstellung von Mitteln für die Verwendung von Standardprüfköpfen und solchen mit austauschbarer kleiner und großer Öffnung und anderer Pro zeßmonitorprüfköpfe, wie zum Beispiel für die Temperatur und die Leitfähigkeit; Fig. 3A ist eine Seitenansicht des Prüfkopfes der Fig. 3, und Fig. 3B ist eine Draufsicht auf den Prüfkopf der Fig. 3;

Fig. 4 ist ein Wellenformdiagramm einer normalen Wellenform maximalen, differentiel len Blasendruckes unter Darstellung dreier unterschiedlicher Triggersignale ei nes Hardware-Spitzenwertdetektors: eines richtigen Spitzenwertes an dem Punkt maximalen Blasendruckes (A); eines falschen Spitzenwertes bei einem Nulldurchgang (B); und eines falschen Spitzenwertes bei Kapillarwirkung (C);

Fig. 5 ist ein Wellenformdiagramm einer normalen Wellenform für differentiellen Bla sendruck bei 35 Blasen pro Sekunde unter Darstellung des Oberflächenalters und der Totzeit;

Fig. 6 ist ein Wellenformdiagramm einer normalen Wellenform maximalen, differentiel len Blasendruckes in Wasser unter 175 Psig Druck mit Darstellung der Signal schwingung, nachdem jede Blase freigesetzt ist;

Fig. 7 ist eine idealisierte Druckwellenform unter Darstellung des normalen Spitzen wertes und der fallenden Kante, die auftritt, wenn sich jede Blase bildet und an einer Öffnung freigesetzt wird;

Fig. 8 ist eine idealisierte Druckwellenform unter Darstellung eines richtigen und fal schen Spitzenwertes infolge einer Kapillarwirkung;

Fig. 9 ist eine idealisierte Druckwellenform unter Darstellung des Spitzenwertmittels des Softwarealgorithmus für Spitzenwerterkennung und des Toleranzfensters;

Fig. 10 ist eine dynamische Oberflächenspannungskurve für zwei unterschiedliche Flu ids;

Fig. 11 ist ein Systemblockdiagramm unter Darstellung der Verarbeitung für die Mes sung der Oberflächenspannung unter Verwendung der Bestandteile der Fig. 1;

Fig. 12 ist ein Systemblockdiagramm unter Darstellung des Prozesses bzw. der Verar beitung für die Messung der Oberflächenspannung unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Komponenten;

Fig. 13 ist ein vereinfachter Software-Ablaufplan (Flow Chart) unter Darstellung des Gesamtsystems für die Software-Spitzenwerterkennung;

Fig. 14A und 14B weisen zusammen ein ausführlicheres Software-Flußdiagramm des verbesser ten Programmes der Software-Spitzenwerterfassung der vorliegenden Erfin dung auf;

die Fig. 15A und 15B weisen zusammen ein Software-Flußdiagramm des Softwareprogramms bzw. der Softwareroutine für die Erfassung von Spitzenwertsignalen während der Blasenbildung auf;

Fig. 16 ist ein Software-Flußdiagramm für die Erkennung der maximalen und minimalen Werte in einer Erkennungsgruppe;

Fig. 17 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm unter Darstellung der Softwareroutine für das Auslesen für Werten bzw. Sortierwerte; und

Fig. 18A und 18B weisen zusammen ein Softwareprogramm für die Berechnung der Ergebnisse der Messung der Oberflächenspannung auf.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen, und insbesondere auf Fig. 1, weist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflä chenspannung einer Flüssigkeit in einer Umgebung unter Druck bis zu 1000 psig (7000 kPa), aber nicht auf diesen beschränkt, eine Quelle für Hochdruckstickstoff oder Prozeßgas (4) auf, die über geeignete Hochdruckrohre, Anschlußstücke bzw. Fittings oder Schläuche mit einem Druckregulatormittel (5) verbunden ist.

Die Erfindung weist Mittel auf, um eine Quelle mit hohem Eingangsdruck anzunehmen und den Druck zu reduzieren, wie notwendig sein kann, um eine entsprechende präzise Steue rung des Prozeßgases für den Ausgangsmassenfluß zu der Prüfkopfanordnung vorzusehen, wobei ein Mengendurchflußsteuergerät (mass flow controller) pro Öffnung (6, 7) und notwen digenfalls ein drittes Mengendurchflußsteuergerät (8) verwendet werden, wie in dem Schema mit den zwei Wandlern (10, 11) benutzt wird gemäß Darstellung in den Fig. 2 und 12. Die Mengendurchflußsteuergeräte, die bei der Ausführungsform der Erfindung verwendet wer den, sind jeweils ein MKS-Modell 1261, dimensioniert für einen konstanten Mengendurchfluß im Bereich von 0-100 ml (SCCM) pro Minute.

Der Ausgang jedes Mengendurchflußsteuergerätes (6, 7), welches in den Fig. 1 und 11 veranschaulicht ist, ist mit einem differentiellen Druckwandler bzw. Differentialdruckwandler (10), Modell DP 15, verbunden, welches von der Firma Validyn Engineering Sales Corpo ration hergestellt wird, und zwar über ein T-Stück (19); der negative (-ve) Anschluß desselben ist mit der Seite der kleinen Öffnung und der positive (+ve) Anschluß desselben mit der Seite der großen Öffnung verbunden.

Im Falle der Fig. 2 und 12, dem Aufbau zur Viskositätskompensation mit zwei Wandlern, ist jede Öffnung mit dem -ve Anschluß verbunden, wobei beide +ve Wandleranschlüsse mit einander verbunden und mit dem dritten Massenflußsteuergerät (MFC) (8) verbunden sind, wobei ein Kreuzstück (18) verwendet ist, und dann zur Atmosphäre des Druckreaktors über ein offenes Entlüftungsfitting (17) oder ein drittes Rohr belüftet.

Die Ausgänge der Oberflächenspannungsvorrichtung sind mit Druckrohrabschnitten (20) ver bunden, die zu dem Reaktorprüfkopfaufbau laufen, wobei Hochdruckrohrfittings (21) verwen det werden, die an der Oberseite des Flansches (22) angeschweißt sind. Der Flansch ist für den besonderen Kessel, Reaktor oder die Prozeßrohrleitung ausgestaltet und bei diesen an wendbar. Die Prüfköpfe mit kleiner und großer Öffnung sind in ähnlicher Weise auf der Unter seite des Flansches mit ähnlichen Flanschschweiß-Rohrfittings (21) verbunden und hängen von diesen herunter und sind von Abschnitten einer im Handel erhältlichen Rohrleitung (23), die nach Bruchteilen abgestuft bzw. in bruchteiliger Größe vorliegt, gestützt, in typischer Wei se 0,25" oder 6 mm Außendurchmesser. Diese Rohre sind in einem länglichen, perforierten, starren Schutzrohr oder einer Schutzleitung (24) aufgenommen, das bzw. die in eine Halb kupplung an der Unterseite des Flansches angeschweißt ist, welcher die Möglichkeit schafft, die Gesamtlänge und daher die Eindringtiefe der Prüfköpfe im Fluid durch Verändern der Länge des Außenrohrabschnittes und der inneren Verbindungsleitungen zu variieren, um sie an besondere Anwendungen anzupassen. Diese Anordnung ist für die Installation von oben her oder vom Boden her und auch für die Seiteninstallation mit kleineren Modifikationen ge eignet.

Eine Schutz-"Korb"-Anordnung (24) mit geschlossenem Ende und belüftet oder perforiert, welche auf das Ende des Schutzrohrabschnittes über eine Standardrohrkupplung (25) ge schraubt ist, mindert die Wirkung des Abscherens oder der Turbulenz aus dem Fluß oder der Vermischung des Fluids in dem Kessel, Reaktor oder dem Rohr, während gleichzeitig der freie, nicht turbulente Fluß des Fluids an den Spannungsöffnungen und dem zugeordneten Temperaturprüfkopf (15) oder anderem Meßkopf vorbei ermöglicht ist. Zusätzliche Innenrohr abstandshalter (26) sorgen für die Starrheit des Systems in dem äußeren Rohraufbau und verhindern die Bewegung der Prüfköpfe in dem Schutzkorb.

Standardrohrfittings (27) erlauben das Ersetzen und Austauschen von Prüfköpfen und Prüf kopfmaterialien, einschließlich Glas, nichtrostender Stahl, beschichtetem Glas und Stahl, ohne auf diese beschränkt zu sein, wie auch gerader oder umgekehrter Prüfköpfe. Die Rohr leitung ist druckdicht, insbesondere für Temperatur- oder andere Verfahrensmeßprüfköpfe, um zu verhindern, daß Fluid in die Prüfköpfe und die zugeordneten elektrischen Leitungen eintritt. Der gesamte Aufbau ist modular bzw. bausteinartig, um ihn leicht zusammen- und auseinanderzubauen für das Ersetzen und Reinigen zwischen Verfahrens- oder Produktions läufen.

Der Temperaturprüfkopf (15) ist vorgesehen, um die Temperatur der in Prüfung befindlichen Flüssigkeit abzufühlen, weil die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit in einem umgekehr ten Verhältnis von der Temperatur abhängt. Sobald die Temperatur der Flüssigkeit steigt, nimmt die Oberflächenspannung ab. Ein Algorithmus für das Verhältnis Oberflächenspan nung gegen Temperatur für zwei Standardkalibierfluids ist in der Software eingeschlossen, so daß während der Kalibrierfolge das Computerprogramm die Temperatur des Kalibierfluids liest, welches benutzt wird, und automatisch den richtigen Oberflächenspannungswert eingibt. Typische Standardkalibrierfluids sind deionisiertes Wasser und Ethylalkohol. Dieser Algorith mus kann also dazu verwendet werden, während des Betriebes bei den Oberflächenspan nungswerten eine Temperaturkompensation vorzunehmen.

Das Softwareprogramm schließt eine sequentielle, automatische Flußsteuereinstellung/- Kalibiersequenz ein, welche die automatische Erzeugung von dynamischen Oberflächen spannungskurven für geprüfte Fluids erlaubt, die aktive Tenside (Fig. 10) enthalten. Die Mengendurchflußsteuergeräte sind vorprogrammiert für das Einstellen einer Reihenfolge von Durchflußsteuergeräteeinstellungen (d. h. 10, 20, 30, 40 und 50% des Gesamtdurchflusses zum Beispiel), was zu fünf unterschiedlichen und nacheinander zunehmenden Blasenraten führt. Zunächst werden die Prüfköpfe in ein Hochpunkt-Standardkalibrierfluid (deionisiertes Wasser) eingetaucht, und das Programm ordnet die Daten über die unterschiedlichen Fluß einstellungen in einem Stufenverfahren, wobei es ausreichend lange anhält, um die Analyse der differentiellen Druckwellenformen und des automatischen Eingangs des richtigen Ober flächenspannungswertes für das Hochpunkt-Standardkalibierfluid zu erlauben. Dies wird für das Tiefpunkt-Standardkalibierfluid (Ethylalkohol) wiederholt. Verschiedene Testfluids werden nacheinander mit diesen unterschiedlichen Durchflußmengen gemessen, und die sich erge benden Oberflächenspannungs- und Blasenfrequenzdaten werden aufgezeichnet, um ge naue, dynamische Oberflächenspannungskurven (Fig. 10) zu geben.

Ein Netzgerät (Power Supply = P. S.) (9) sorgt für Betriebsenergie zu den Mengendurchfluß steuergeräten. Die Eingangs- und Ausgangssteuersignale des Mengendurchflußsteuergerä tes werden mit analogen Eingabe- und Ausgangssteuersignalen aus den Modulatorschalt kreisen (12) des Wandlers, aus dem Temperaturprüfkopf (15) und von anderen Sensoren zu analogen Eingangs- und Ausgangs-Interfaceplatinen (14) geleitet, die in dem Rechner (13) für die Verarbeitung durch das Softwareprogramm angeordnet sind. Da es einen maximalen praktischen Abstand gibt, um welchen die Vorrichtung von dem Prüfkopfaufbau entfernt an gebracht sein kann und doch die Signalempfindlichkeit und gewünschte Genauigkeit noch bleibt, ist die Fernsteuerung der Vorrichtung und der Mengendurchflußsteuergeräte bei ge fährlichen Umgebungen und solchen mit explosivem Gas wichtig. Ein spezielles Beispiel ist die Anwendung der Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung eines Polyvinyl chlorid(PVC)-Polymerisationsreaktors unter Verwendung von brennbarem Vinylchloridgas in dem Reaktionsprozeß. Für diese und ähnliche Anwendungen ist die Vorrichtung in einem explosionsicheren Gehäuse angebracht und/oder in einem stickstoffgereinigten Verschluß, wie bei örtlichen Sicherheitscodes und/oder -standards erforderlich sein kann.

Die Geräteanordnung in Fig. 2 erlaubt das Korrigieren von Viskositätseffekten. Eine Schät zung des hydrodynamischen Widerstandes eines Fluids gegen eine sich bewegende Blase erfolgt unter Verwendung des Stokes'schen Gesetzes für einen viskosen Widerstand einer Flüssigkeit. Der Korrekturwert zu dem berechneten Oberflächenspannungswert, welcher die Differenz ist zwischen dem gemessenen Wert der dynamischen Oberflächenspannung und dem realen Wert, wird durch das folgende Verhältnis bestimmt:

wobei:
µ ist die Viskosität der Flüssigkeit,
γ ist die Oberflächenspannung der Flüssigkeit,
r ist der Radius der Öffnung,
τ ist das Oberflächenalter.

Weil die Veränderung der Oberflächenspannung sowohl bei der großen als auch bei der klei nen Öffnung auftritt, kann das Verhältnis auf ein einfaches Radiusverhältnis jeder Öffnung und das Oberflächenalter jeder gebildeten Blase reduziert werden. Die Blasenrate und daher das Oberflächenalter können eingestellt werden, um den Viskositätseffekt herauszustreichen, indem das Oberflächenalter jeder Öffnung in ein umgekehrtes Verhältnis zu den Radien der zwei Öffnungen wie folgt eingestellt wird:

wobei r₁ der Radius der kleinen Öffnung und r₂ der Radius der großen Öffnung ist.

Ein modernes Softwareprogramm für die Spitzenwerterfassung wurde entwickelt, um die Pro bleme zu mildern, die angetroffen wurden, wenn man die Hardware-Spitzenwerterkennung verwendet hat, und um genaue Oberflächenspannungsmessungen zu geben ohne falsches Triggern des Spitzenwertdetektors in einer Umgebung sowohl mit als auch ohne Druck, siehe Fig. 11 und 13. Dieses moderne und fortschrittliche Programm für die Spitzenwerterken nung hat die Mittel zum Messen des maximalen Blasendruckes aus einem Demodulatoraus gangssignal, welches entweder unipolar oder bipolar sein kann (beide positiv, oder positiv und negativ). Es kann Fluids unter Druck messen und kann falsche Spitzenwerte zurückwei sen, welche durch Kapillarwirkung oder andere Oszillationen hervorgerufen sind. Es kann die Oberflächenspannung messen und dafür sorgen, daß falsche Spitzenwerte in sehr viskosen Fluids abgewiesen werden, und Viskositätseffekte korrigieren, und zwar sowohl unter druck losen als auch unter Druckbedingungen.

Die Standardsoftwaretechniken für die Spitzenwerterkennung können nicht zwischen richti gen Spitzenwerten und solchen unterscheiden, welche durch Rauschen erzeugt werden ( Fig. 8). Deshalb war es notwendig, diese Erweiterung zu der Standardsoftware-Spitzenwer terkennung zu entwickeln. Der neue, fortschrittliche Algorithmus für die Software-Spitzenwert erkennung verwendet das Mittel aller richtiger Spitzenwerte, um mit ihm jeden neu erfaßten Spitzenwert zu vergleichen. Deshalb hat er die Fähigkeit, jeden neu erfaßten Spitzenwert auf richtig oder unrichtig auszuwerten. Dem Benutzer der Software ist die Flexibilität gegeben, diese Erkennung durch Auswahl des Grades zu beeinflussen, zu welchem die erfaßten Spit zenwerte als richtig akzeptiert werden.

Das System besteht aus zwei Hauptteilen, die ihrerseits in Untersysteme aufgeteilt sind (Fig. 13-Fig. 18). Die zwei Hauptteile sind: (1) differentielle Drucksignalanalyse und (2) differen tielle Drucksignalspitzenwerterkennung.

Direkt nach dem Start des Programms oder wenn die Prüfköpfe in eine neue Probe einge taucht sind, ist kein Mittelwert erhältlich, mit welchem die erfaßten Spitzenwerte verglichen werden könnten. Deshalb muß das Signal analysiert werden, d. h. die Standardsoftware- Spitzenwerterfassung wird benutzt, um eine gewisse Anzahl von Spitzenwerten zu erkennen. Mit diesen Spitzenwerten kann der richtige Durchschnitt bestimmt werden und wird von die sem Punkt an in dem modernen Spitzenwerterfassungsalgorithmus benutzt.

Das differentielle Drucksignal wird in dem Rechner durch einzelne ganze Zahlen dargestellt, siehe Fig. 14A und 14B. Acht aufeinanderfolgende Zahlen ergeben eine Erfassungs- bzw. Erkennungsgruppe, siehe Fig. 16. Außerhalb jeder Erkennungsgruppe werden die Maximal- und Minimalwerte bestimmt, auch ihre Indizes werden in dem Speicher vorgespeichert. Die Maximalwerte werden benutzt, um Spitzenwerte in diesem Algorithmus in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren zu erfassen.

Um einen Spitzenwert zu erfassen, muß zuerst die fallende Kante des differentiellen Drucksi gnals erfaßt werden. Eine fallende Kante (Fig. 7) ist definiert durch:

1. Der Unterschied zwischen dem maximalen und dem mininalen Wert muß größer sein als 366 mV (+150 ganzzahlig), um das Erfassen von verrauschten Spitzenwerten zu vermei den.
2. Die Richtzahl bzw. der Index des Minimalwertes muß höher sein als der Index des Ma ximalwertes, d. h. der Minimalwert muß nach dem Maximalwert in derselben Erfassungs gruppe erscheinen.

Der Maximalwert außerhalb der laufenden Erfassungsgruppe wird mit dem Maximalwert au ßerhalb der vorausgehenden Erfassungsgruppe verglichen. Dies ist ein wichtiger Schritt und ein einzigartiges Merkmal von diesem Algorithmus während der Spitzenwerterfassung, weil der Spitzenwert in einer Erfassungsgruppe I erscheinen kann (Fig. 7), aber die fallende Kan te in der Erfassungsgruppe II erfaßt wird. Durch die Benutzung dieser Bedingung wird bestä tigt, daß ein höchst genauer Spitzenwert durch den Spitzenwerterfassungsalgorithmus gelie fert wird.

Während der Signalanalyse versucht die Software, eine gewisse Anzahl von Spitzenwerten zu erfassen, siehe Fig. 15A und 15B. Diese Anzahl hängt von den Einstellungen des To leranzfensters ab. Das Verhältnis zwischen der Einstellung des Toleranzfensters und der An zahl von Analysespitzenwerten beträgt:
Toleranzfenster ENG (NARROW) - 10 Spitzenwerte
Toleranzfenster MITTEL (MEDIUM) - 16 Spitzenwerte
Toleranzfenster BREIT (WIDE) - 20 Spitzenwerte

Nachdem die notwendige Anzahl Spitzenwerte erfaßt und gespeichert ist, werden die Spit zenwerte wertmäßig sortiert, in diesem Falle unter Verwendung des Blasensortieralgorithmus (Fig. 17). Dieser Algorithmus ist nicht auf ein Sortierverfahren beschränkt. Nach dem Sortie ren befindet sich der höchste Wert in der Analysereihe oben im Puffer, der niedrigste unten.

Beispiel

Nachdem die Werte sortiert sind, wird aus den fünf höchsten Werten (Index 5 bis 9) der rich tige Spitzenwertdurchschnitt berechnet. Unabhängig von dem Einstellen des Toleranzfensters werden die fünf höchsten Werte immer für die Durchschnittsberechnung benutzt. Dies leitet sich aus einem differentiellen Drucksignal ab, welches aus richtigen Spitzenwerten und Spit zenwerten aus Kapillarwirkungen (unrichtige Spitzenwerte) besteht. Dieser Fall kann als der schlechteste angesehen werden, denn da gibt es eine gerade Anzahl von richtigen, Hoch punktspitzenwerten und unrichtigen, Tiefpunktspitzenwerten. Durch die Betrachtung nur des oberen Teils der Analysereihe werden nur die richtigen Spitzenwerte für die Durchschnitts berechnung verwendet. Dieses schließt die Analyse ab.

Während der modernen Spitzenwerterfassung muß es nach der Erfassung eines Spitzenwer tes eine weitere Prüfung dieses Wertes geben, um auszuwerten, ob er unter den laufenden Umständen richtig ist. Diese Bewertung macht diesen Spitzenerkennungsalgorithmus modern bzw. fortgeschritten, siehe Fig. 14A und 14B.

Der erfaßte Spitzenwert wird mit dem laufenden Durchschnitt aller zuvor richtigen Spitzenwer te verglichen. Für diesen Vergleich wird ein sogenanntes Toleranzfenster angewendet. Um den erfaßten Spitzenwert mit dem laufenden Durchschnittsspitzenwert zu vergleichen, muß der absolute Wert der Differenz des Spitzenwertes und des Spitzendurchschnittswertes klei ner als der Toleranzwert sein:
ABS(peak_value - peak_average)(Spitzenwert - Spitzenwertdurchschnitt) < = Toleranzwert

Wenn das Ergebnis dieser Gleichung wahr ist, kann der Spitzenwert als richtig akzeptiert werden. In diesem Falle kann das neue Ergebnis für die Oberflächenspannung berechnet werden.

Das vom Benutzer einstellbare Toleranzfenster ist ein sehr einzigartiges Merkmal dieser Software, siehe Fig. 8 und 9. Mit diesem Fenster sind nun zwei Dinge möglich:

1. Spitzenwerte, welche durch Kapillarwirkung verursacht sind, können zurückgewiesen werden, so daß sie keine Wirkung auf die Ergebnisse der Oberflächenspannung haben.
2. Es ist möglich, Fluids hoher Viskosität zu messen, die typischerweise unvereinbare diffe rentielle Drucksignale haben.

Durch Kapillarwirkung hervorgerufene Spitzenwerte haben typischerweise einen Spitzenwert, der etwa 20% desjenigen Spitzenwertes beträgt, welcher erscheint, wenn eine Blase freige setzt wird (Fig. 8).

Mit einem Standard-Spitzenwerterfassungsalgorithmus können diese zwei Spitzenwerte nicht unterschieden werden, was zu unrichtigen Ergebnissen der Oberflächenspannung und auch der Blasenfrequenz führt. Mit der modernen Spitzenwerterfassung unter Anwendung des To leranzfensters können Spitzenwerte unterschieden bzw. differenziert werden (Fig. 9). Das Toleranzfenster ist ein Wertebereich von ± der Toleranz um den Spitzenwertdurchschnitt. Der richtige Spitzenwert, der sich innerhalb des Toleranzfensters befindet, kann akzeptiert werden, während die Kapillarwirkung zurückgewiesen bzw. verworfen wird.

Um Fluids mit hoher Viskosität selbst unter Benutzung der Basisvorrichtung (Fig. 1) zu mes sen, kann der Benutzer dieses Toleranzfenster einstellen auf:

eng (narrow) (±300 mV)

mittel (medium) (±650 mV)

breit (wide) (±1000 mV)

Da die Mittelwerte der Fluids in typischer Weise mehr als jene eines nicht-viskosen Fluids schwanken, kann der Benutzer mit dem einstellbaren Toleranzfenster bestimmen, welche Spitzenwerte akzeptiert werden, was zu einem sehr genauen Ergebnis für viskose Fluids führt. Außerdem wird der Durchschnittsfaktor für die sich ergebende Berechnung bei breite ren Toleranzfenstern erhöht, so daß selbst bei schwankenden Spitzenwerten eine hohe Stabilität von Ergebnissen erwartet werden kann.

Durch einen neuen Mittelungsalgorithmus, der in dieser Software verwendet wird, werden zwei Ziele erreicht: (1) höhere Stabilität von Ergebnissen im Vergleich mit sich bewegenden Durchschnitten; und (2) schnellere Berechnung eines neuen Durchschnitts, siehe Fig. 18A und 18B.

Für diesen Mittelungsalgorithmus wird der Mittelungsfaktor eingeführt. Die Mittelung bzw. der Durchschnitt eines gewissen Ergebnisses (entweder Oberflächenspannung, Temperatur oder Blasenfrequenz) wird berechnet durch:

Das Verhältnis zwischen der Toleranzfenstereinstellung und der Anzahl der Analysespitzen werte beträgt:
Toleranzfenster ENG (NARROW) - Mittelungsfaktor = 10
Toleranzfenster MITTEL (MEDIUM) - Mittelungsfaktor = 21
Toleranzfenster BREIT (WIDE) - Mittelungsfaktor = 33

Während die Form der hier beschriebenen Vorrichtung eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung darstellt, versteht es sich, daß die Erfindung auf diese präzise Form der Vor richtung nicht begrenzt ist und daß Änderungen derselben vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, der in den anliegenden Ansprüchen definiert ist.

Erläuterung der Fig. 11 bis 18B Fig. 11

11-1

Reinigen der MFC's (der Mass Flow Controllers = Massenfluß-Steuergeräte) (bei Bedarf)

11-2

Einstellen der MFC's

11-3

Blasenrate einstellen

11-4

Demodulatorausgangssignal

11-5

Analyse des differentiellen Drucksignals

11-6

Einstellen Toleranzfenster; ENG (NARROW) = 10 Spitzenwerte, MITTEL (MEDIUM) = 16 Spitzenwerte, BREIT (WIDE) = 20 Spitzenwerte

11-7

Lesen der Temperatur

11-8

Programmerkennen 10, 16 oder 20 Spitzenwerte; Sortieren Spitzenwerte; Halte höchste Werte

11-9

Zurückweisen der niedrigsten Werte (falsche Spitzenwerte)

11-10

Display Demodulatorausgangswellenform

11-11

Moderne Spitzenwerterkennung; Vergleich mit Durchschnitt

11-12

Zurückweisen unrichtige Spitzenwerte

11-13

Halten des richtigen Spitzenwertes

11-14

Berechnen des Blasenintervalles

11-15

Berechnen Umkehrung des Blasenintervalles

11-16

Umkehrverhältnis Oberflächenspannung gegen Temperatur

11-17

Berechne temperaturkompensierte Oberflächenspannung

11-18

Display Oberflächenspannung

11-19

Display Blasenintervall

11-20

Display Temperatur

11-21

Display Blasenfrequenz

Fig. 12

12-1

Reinige MFC's (bei Bedarf)

12-2

Einstellen der MFC's

12-3

Blasenrate einstellen

12-4

Blasenrate einstellen

12-5

Demodulatorausgangssignal #1

12-6

Analyse des differentiellen Drucksignals

12-7

Einstellung Toleranzfenster; NARROW = 10 Spitzenwerte, MEDIUM = 16 Spitzenwer te, WIDE = 20 Spitzenwerte

12-8

Demodulatorausgangssignal #2

12-9

Analyse des differentiellen Drucksignals

12-10

Einstellen des Toleranzfensters; NARROW = 10 Spitzenwerte, MEDIUM = 16 Spitzenwerte, WIDE = 20 Spitzenwerte

12-11

Lesen der Temperatur

12-12

Erkennen von 10, 16 oder 20 Spitzenwerten; Sortieren der Spitzenwerte; Halten der höchsten Werte

12-13

Zurückweisen der niedrigsten Werte (falsche Spitzenwerte)

12-14

Erfassen von

10

,

16

oder

20

Spitzenwerten; Sortieren von Spitzenwerten; Halten det höchsten Werte

12-15

Zurückweisen der niedrigsten Werte (falsche Spitzenwerte)

12-16

Moderne Spitzenwerterfassung; Vergleich mit Durchschnitt

12-17

Zurückweisen unrichtiger Spitzenwerte

12-18

Moderne Spitzenwerterfassung; Vergleich mit Durchschnitt

12-19

Zurückweisen unrichtiger Spitzenwerte

12-20

Display Demodulator #1 Ausgangswellenform

12-21

Halten des richtigen Spitzenwertes

12-22

Display Demodulator #2 Ausgangswellenform

12-23

Halten des richtigen Spitzenwertes

Fig. 12A

12-24

Berechnen des Differentials richtiger Spitzenwerte

12-25

Berechnen des Blasenintervalls

12-26

Berechnen des Blasenintervalls

12-27

Umgekehrtes Verhältnis Oberflächenspannung gegen Temperatur

12-28

Berechnen der temperaturkompensierten Oberflächenspannung

12-29

Berechnen der Umkehrung des Blasenintervalles

12-29

a Berechnen der Umkehrung des Blasenintervalles

12-30

Display Oberflächenspannung

12-31

Display Blasenintervall #1

12-32

Display Blasenfrequenz

12-33

Display Blasenfrequenz

12-34

Display Blasenintervall #2

12-35

Display Temperatur

Fig. 13

13-1

Gesamtansicht

13-2

Gesamtsystem für die Software-Spitzenwerterfassung

13-3

Erfassung von Spitzenwerten mit jeder beliebigen Standardsoftware-Spitzenwert erfassung

13-4

Nicht genug Spitzenwerte für die Analyse gefunden

13-5

Analyse Spitzenwerte und Berechnung Spitzenwertdurchschnitt

13-6

Erfassung von Spitzenwerten mit der verbesserten Software-Spitzenwerterfassung und Display Ergebnisse

13-7

Probenahme ist ein

Fig. 14A

14-1

Software-Spitzenwerterfassungsaufgabe moderne Spitzenwerterfassung

14-2

Einstellen des Stromspitzenwertzählers auf dem Schirm auf Null

14-3

Erstes Prüfen Erfassungsgruppe

14-4

Ja

14-5

Nein

14-6

Initialisierung von Hilfsvariablen für Min/max-Verfahren

14-7

Einschalten Kanal #X-Display

14-8

Ja

14-9

Nein

14-10

Umwandeln ganzzahliger Wert von Kanal #X in Volt

14-11

Speichern Spannungswert in Datenreihe für Abtasten graphisches Display

14-12

Speichern - 10 V in Datenreihe für Abtasten graphisches Display

14-13

Aktualisieren des Displays Abtasten graphisch mit laufenden Daten

14-14

Min/max-Erfassung

14-15

Verfahren zum Finden von Minimum/Maximumwerten in einer Erfassungsgruppe

14-16

Differenz zwischen laufendem Maximum und Minimum größer als

150

und Index des Minimums größer als Index des Maximums (Auffinden Gefälle I)

14-17

Ja

14-18

Nein

Fig. 14B

14-19

Ja

14-20

Spitzenwert erschien in vorhergehender Erfassungsgruppe (vorhergehender Maximal wert größer als laufender)

14-21

Ja

14-22

Nein

14-23

Einstellen verlorener Maximalwert gleich laufendem Maximalwert

14-24

Einstellen verlorener Maximalwertindex gleich laufendem Maximalwertindex

14-25

Zurücksetzen von Variablen, die im Min/max-Verfahren verwendet sind

14-26

Umwandeln ganzzahliger Wert des laufenden Maximalwertes in Volt

14-27

Laufender Maximalwert innerhalb Toleranzfenster

14-28

Ja

14-29

Nein

14-30

Zunahme Abtastnummer auf richtigem Spitzenwert

14-31

Zunahme Spitzenwertzähler in laufendem Probenahmeintervall

14-32

Berechne Ergebnis

14-33

Berechne Ergebnis in Abhängigkeit vom Parameter. Hier: Oberflächenspannung

14-34

Berechne Ergebnis

14-35

Berechne Ergebnis in Abhängigkeit vom Parameter. Hier: Temperatur

14-36

Aktualisieren "Realzeitergebnisse"-Fenster

14-37

Datenaufzeichnen oder Druckauswahl

14-38

Ja

14-39

Nein

14-40

Durchführung ausgewählter Datenaufzeichnungsaufgabe(n)

14-41

Berechne Ergebnis

14-42

Berechne Ergebnis in Abhängigkeit vom Parameter. Hier: Blasenfrequenz

14-43

Aktualisieren "Blasendaten"-Fenster

Fig. 15A

15-1

Softwareanalyse Sägezahnspitzenwerterfassung für Analyse

15-2

Einstellen laufender Spitzenwertzähler auf Bildschirm auf Null

15-3

Erstes Prüfen in der Erfassunggruppe

15-4

Ja

15-5

Nein

15-6

Initialisieren von Hilfsvariablen für Min/max-Verfahren

15-7

Umwandeln ganzzahliger Wert aller Kanäle in Volt

15-8

Speichern Spannungswerte in Datenreihe für Abtasten graphisches Display

15-9

Aktualisieren Abtasten graphisches Display mit laufenden Daten

15-10

Min-/max-Erfassung

15-11

Verfahren zum Auffinden von Minimum/Maximumwerten in einer Erfassungsgruppe

15-12

Differenz zwischen laufendem Maximum und Minimum größer als 150 und Index des Minimum größer als Index des Maximum (Auffinden Gefälle!)

15-13

Ja

15-14

Nein

Fig. 15B

15-15

Ja

15-16

Nein

15-17

Spitzenwert, in vorhergehender Erfassungsgruppe erschienen (vorhergehender Maximalwert größer als laufender)

15-18

Ja

15-19

Nein

15-20

Einstellen letzter Maximalwert gleich laufendem Maximalwert

15-21

Einstellen letzter Maximalwertindex gleich laufendem Maximalwertindex

15-22

Rückstellen Hilfsvariable, die im Min/max-Verfahren verwendet sind

15-23

Umwandeln ganzzahliger Wert des laufenden Maximalwertes in Volt

15-24

Speichern Voltwert des laufenden Maximalwertes in die Analysereihe

15-25

Speichern Voltwert des laufenden Temperaturwertes in die Analysereihe

15-26

Zunahme Spitzenwertzähler auf erfaßten Spitzenwert

15-27

Aktualisieren "Realzeitergebnis" Fenster mit laufendem Wert des Spitzenwertzählers

15-28

Notwendige Anzahl von erfaßten Spitzenwerten

15-29

Ja

15-30

Nein

15-31

Sortieren Spitzenwertamplituden

15-32

Sortieren von Werten nach Größe in der speziellen Analysereihe. Hier: Spitzenwert amplituden

Fig. 15C

15-33

Sortieren Spitzenwertamplituden

15-34

Dieses Verfahren wird auch verwendet für das Sortieren von Temperaturwerten. Hier: Temperaturwerte

15-35

Berechne Durchschnitt

15-36

Berechne Durchschnitt der oberen fünf Werte in der speziellen Analysereihe. Hier: Spitzenwertamplituden

15-37

Berechne Durchschnitt

15-38

Berechne Durchschnitt der oberen fünf Werte in der speziellen Analysereihe. Hier: Temperaturwerte

15-39

Initialisieren Blasenfrequenz mit Wert =

1

, um Fehler zu vermeiden, dividiert durch Null-Laufzeit

Fig. 16

16-1

Min/max-Erfassungsverfahren zum Auffinden von Minimum/Maximumwerten in einer Erfassungsgruppe

16-2

Druckwert bei Druckindex höher oder gleich laufendem Maximum

16-3

Ja

16-4

Nein

16-5

Einstellen laufender Maximumwert ist gleich Druckwert bei Druckindex

16-6

Einstellen laufender Maximalwertindex gleich Druckindex

16-7

Druckwert bei Druckindex höher oder gleich laufendem Minimum

16-8

Ja

16-9

Nein

16-10

Einstellen laufender Minimalwert gleich Druckwert bei Druckindex

16-11

Einstellen laufender Minimalwertindex gleich Druckindex

16-12

Umwandeln ganzzahliger Wert bei Temperaturindex in Volt, bevor Index erhöht ist

16-13

Erhöhte Indizes durch Anzahl abgetasteter Kanäle

16-14

Zunahme Zähler analysierter Punkte in Erfassungsgruppe

16-15

Zunahme Index von Datenpuffer

16-16

Zunahme Abtastzahl auf jedem Abtastpunkt zur Berechnung Zeitintervall

16-17

Während nicht acht Punkte analysiert werden

Fig. 17

17-1

Sortiere Spitzenwertamplituden

17-2

Sortiere Amplituden in spezieller Analysereihe nach Größe unter Verwendung des Blasensortierverfahrens

Fig. 18A

18-1

Berechne Ergebnis Berechne Ergebnis je nach Parameter

18-2

Software Oberflächenspannung

18-3

Multipliziere laufenden Spitzenwertdurchschnitt mit Mittelungsfaktor

18-4

Addiere Spannungswert entsprechend dem laufenden Spannungswert zum Ergebnis

18-5

Einstellen neuer Spitzenwertdurchschnitt gleich dem Spitzenwertdurchschnitt, dividiert durch Mittelungsfaktor plus 1

18-6

Umwandeln neuer Durchschnitt aus Spannungswert in Integralwert

18-7

Berechnen neue Oberflächenspannung mit Kalibrierwerten

18-8

Hardware Oberflächenspannung

18-9

Multiplizieren laufenden Oberflächenspannungsdurchschnitt mit Mittelungsfaktor

18-10

Addieren Spannungswert entsprechend dem laufenden Oberflächenspannungswert zum Ergebnis

18-11

Einstellenn neuer Oberflächenspannungsdurchschnitt gleich dem Oberflächenspannungs durchschnitt dividiert durch Mittelungsfaktor plus 1

18-12

Umwandeln neuer Durchschnitt aus dem Voltwert in Integralwert

18-13

Berechnen neue Oberflächenspannung mit Kalibrierwerten

Fig. 18B

18-14

Berechnungstyp

18-15

Temperatur

18-16

Multiplizieren laufenden Temperaturdurchschnitt mit Mittelungsfaktor

18-17

Addieren Spannungswert entsprechend den laufenden Temperaturwerten zum Ergebnis

18-18

Einstellen neuer Temperaturdurchschnitt gleich dem Temperaturdurchschnitt, dividiert durch Mittelungsfaktor plus 1.

18-19

Umwandeln neuer Durchschnitt aus Spannungswert in Integralwert

18-20

Berechnen neue Temperatur mit Kalibrierwerten

18-21

Blasenfrequenz

18-22

Spitzenzähler gleicht Null

18-23

Ja

18-24

Nein

18-25

Keine Spitzenwerte gefunden, Einstellen Zähler gleich Blasenfrequenz, um Laufzeit fehler dividiert durch Null zu vermeiden

18-26

Erster Erfassungsprozeß nach Analyse

18-27

Ja

18-28

Nein

18-29

Einstellen Blasenfrequenz gleich Spitzenwertzähler, dividiert durch Abtastlänge

18-30

Multiplizieren laufenden Spitzenwertdurchschnitt mit Mittelungsfaktor

18-31

Addieren Ergebnis des Spitzenwertzählers, dividiert durch Abtastlänge

18-32

Einstellen neue Blasenfrequenz gleich dem Blasenfrequenzdurchschnitt, dividiert durch Mittelungsfaktor plus 3.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit einem oder mehreren Prüfkörpern mit Öffnungen unterschiedlichen Durchmessers, die unter der Oberfläche einer Flüssigkeit in einem Kessel, Reaktor oder Abschnitt einer Prozeßleitung angeordnet sind;
Mitteln zum Einstellen der Eintauchtiefe der Öffnungen in der Flüssigkeit;
Mitteln zur Schaffung einer Gasdruckquelle für die Rohre unter Verwendung eines sepa raten Mengendurchflußsteuergerätes für jeden Prüfkörper;
Mitteln, die zwischen der Gasquelle und den Prüfkörpern angeschlossen sind für die Schaffung einer regulierten, konstanten Volumendurchflußrate des Gases zu den Prüf körpern;
Mitteln zum Steuern des Gasflusses zu den Prüfkörpern und deshalb der Blasenrate an den Öffnungen;
Mitteln zum Messen der Differenz der maximalen Drücke der Blasen, die sich an den Prüfköpfen als Funktion der Oberflächenspannung der Flüssigkeit bilden unter Verwen dung eines Differenzdruckwandlers;
Mitteln zum automatischen Messen der Temperatur eines Standard-Kalibrierfluids und Berechnen des bezüglich der korrekten Temperatur kompensierten Oberflächenspan nungswertes;
Mitteln zum automatischen aufeinanderfolgenden Einstellen von Einstellungen der Durchflußsteuergeräte und Erzeugen von dynamischen Oberflächenspannungskurven unter Verwendung einer sequentiellen Durchflußsteuereinstellungs-/Kalibrierfolge.

2. Vorrichtung zum Bestimmen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit
einem Kessel, Reaktor oder Prozeßrohrleitungssystem für die Aufnahme einer Flüssig keit unter Druck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Prüfkörpern mit Öffnungen unterschiedlichen Durchmessers, die unter der Oberfläche der Flüssigkeit in dem Kessel, Reaktor oder Rohrleitungssystem angeordnet sind;
Mittel, die zwischen der Gasquelle und den Prüfkörpern verbunden sind für die Schaffung einer regulierten bzw. geregelten, konstanten Volumendurchflußrate des Gases zu den Rohren unabhängig von dem Druck innerhalb des Kessels, des Reaktors oder des Rohr leitungssystems; und
Mittel zum automatischen Steuern des Gasflusses zu den Prüfkörpern und deshalb der Blasenrate des Gases an den Öffnungen unabhängig vom Druck innerhalb des Kessels, Reaktors oder Rohrleitungssystems, vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zum Bestimmen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel zur Schaffung einer Gasquelle unter Druck zu den Rohren unter Verwendung eines separaten Mengendurchflußsteuergerätes für jedes Rohr und eines dritten Steuerge rätes, welches zur Kesselatmosphäre entlüftet ist oder zu einem dritten Rohr, um den Druck innerhalb des Kessels, Reaktors oder Rohrleitungssystems zu versetzen, und
Mittel zum Messen des maximalen Differenzdruckes der Blasen, die an den Prüfköpfen gebildet werden, als Funktion der Oberflächenspannung der Flüssigkeit unter Verwen dung zweier oder mehrerer differentieller Druckwandler, deren eine gemeinsame Seite mit dem unter Druck stehenden System innerhalb des Kessels, Reaktors oder Rohrlei tungssystems verbunden ist, vorgesehen sind.

4. Modulare Prüfkopfanordnung für das Eintauchen in einem Kessel, Reaktor oder Ab schnitt einer Prozeßrohrleitung mit
Mitteln zum Befestigen von Standardmeßprüfköpfen für die Oberflächenspannung, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, einschließlich Glas, nichtrostendem Stahl, beschichteten Materialien, aber nicht auf diese beschränkt;
Mitteln zum Befestigen von Standardmeßprüfköpfen für die Oberflächenspannung, die in unterschiedlichen Konfigurationen hergestellt sind, einschließlich gerade, gebogen oder umgekehrt;
Mitteln zum Verändern der vertikalen und horizontalen Eindringung und deshalb Ein tauchtiefe der Prüfkopfanordnung durch Verändern oder Eliminieren der Längen der Mit tenverbindungsabschnitte der Innenrohrleitungen und Außenrohrleitungsabschnitten;
Mitteln zum Anbringen eines Temperaturprüfkopfes in der Nachbarschaft von Abfühlprüf köpfen für die Oberflächenspannung innerhalb einer Außenschutzrohranordnung;
Mitteln zum Anbringen von Abfühlprüfköpfen für andere Chemikalien in der Nachbar schaft der Oberflächenspannungsöffnungen innerhalb einer äußeren Schutzrohranord nung, einschließlich Leitfähigkeitsprüfköpfen, aber nicht auf diese beschränkt;
Mitteln zur Ermöglichung des Flusses von Fluid aus dem Schüttvolumen des Kessels, Reaktors oder Prozeßleitungsabschnittes durch die Wände einer inneren Prüfkopfanord nung mit Außenschutz, während das Abscheren und die Turbulenz aus dem Massenfluid gemildert werden;
Mitteln zum Druckabdichten der Prüfköpfe und damit zusammenhängenden elektrischen Prüfkopfleitungen gegen Eintritt von Flüssigkeit oder Gas in die Rohre von innerhalb des Kessels, Reaktors oder der Prozeßrohrleitung.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit
Mitteln zum automatischen Steuern der Blasenrate durch ein in einem Kessel, Reaktor oder Abschnitt einer Prozeßleitung eingetauchtes Rohr unabhängig von dem Druck in nerhalb des Kessels, Reaktors oder Rohres oder der Eintauchtiefe;
Mitteln zum Reinigen des Rohres während des Anfahrens und Betriebes;
Mitteln zum Messen des Signals maximalen Blasendruckes aus einer Demodulator ausgangsschaltung, welches entweder unipolar oder bipolar sein kann;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes und deshalb der Oberflächenspan nung einer Flüssigkeit mit Möglichkeiten zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte, wel che durch Kapillarwirkung hervorgerufen sind, unabhängig von der Druckumgebung der Flüssigkeit;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes und deshalb der Oberflächenspan nung einer Flüssigkeit mit Mitteln zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte, welche durch Oszillationen in der Wellenform maximalen Blasendruckes hervorgerufen sind, unabhän gig von der Druckumgebung der Flüssigkeit;
Mitteln zum Messen der Oberflächenspannung in einem viskosen Fluid mit Mitteln zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte infolge von Fluktuationen der Differentialdruckwel lenform, welche durch den hydrodynamischen Widerstand des viskosen Fluids gegen an der Öffnung gebildete Blasen hervorgerufen ist;
Mitteln zum automatischen Messen der Temperatur eines Standard-Kalibrierfluids und Auswählen des korrekten, hinsichtlich der Temperatur kompensierten Oberflächenspan nungswertes;
Mitteln zum automatischen aufeinanderfolgenden Einstellen von Einstellungen der Durchflußsteuergeräte und Erzeugen von dynamischen Oberflächenspannungskurven unter Verwendung einer sequentiellen Durchflußsteuereinstellungs-/Kalibrierfrequenz.

6. Vorrichtung zum Bestimmen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit
Mitteln zum automatischen Steuern der Blasenrate durch zwei Rohre, die in einem Kes sel, Reaktor oder Abschnitt eines Prozeßrohres eingetaucht sind, unabhängig von dem Druck innerhalb des Kessels, Reaktors oder Rohres oder der Eintauchtiefe des Rohres;
Mitteln zum Reinigen der Rohre während des Anfahrens oder Betriebes;
Mitteln zum Messen der Maximalblasendrucksignale aus Demodulatorausgangsschalt kreisen, die entweder unipolar oder bipolar sein können;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes und deshalb der Oberflächenspan nung einer Flüssigkeit mit Maßnahmen zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte, welche durch Kapillarwirkung hervorgerufen sind, unabhängig von der Druckumgebung der Flüssigkeit;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes an einer Öffnung und Mittelwert spitzenwerten, welche durch Oszillationen hervorgerufen sind in der Wellenform maxima len Blasendruckes in einer Druckumgebung und daher Bestimmen der Oberflächen spannung der Flüssigkeit;
Mitteln zum Messen der Oberflächenspannung in einem viskosen Fluid mit Maßnahmen zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte infolge Fluktuationen der differentiellen Druck wellenform, welche durch den hydrodynamischen Widerstand des viskosen Fluids gegen eine Blase hervorgerufen ist, die sich an der Öffnung bildet;
Mitteln zum automatischen Messen der Temperatur eines Standard-Kalibrierfluids und Berechnen des richtigen, bezüglich Temperatur kompensierten Oberflächenspannungs wertes;
Mitteln zum automatischen aufeinanderfolgenden Einstellen von Einstellungen der Fluß steuergeräte und Erzeugen dynamischer Oberflächenspannungskurven unter Verwen dung sequentieller Flußsteuereinstellungs-/Kalibriersequenz.

7. Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit
Mitteln zum automatischen Steuern der Blasenrate durch zwei oder mehr Rohre mit un terschiedlichen Öffnungsgrößen, die in einem Kessel, Reaktor oder Abschnitt einer Pro zeßleitung eingetaucht sind, unabhängig vom Druck in dem Kessel, Reaktor oder Rohr oder der Eintauchtiefe in der Flüssigkeit;
Mitteln zum Reinigen der Rohre zu jeder Zeit während des Anfahrens und Betriebes;
Mitteln zum Messen der maximalen Blasendrucksignale aus Demodulatorausgangs schaltkreisen, die entweder unipolar oder bipolar sein können;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes und deshalb der Oberflächenspan nung einer Flüssigkeit mit Maßnahmen zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte, welche durch Kapillarwirkung hervorgerufen sind, unabhängig von der Druckumgebung der Flüssigkeit;
Mitteln zum Messen der maximalen Blasendrücke unabhängig an zwei Öffnungen und zum Zurückweisen falscher Spitzenwerte, welche durch Oszillationen in den Wellenfor men maximalen Blasendruckes in einer Druckumgebung hervorgerufen sind, mit Mitteln zum Subtrahieren der sich ergebenden Maximalblasendruckwerte, um den Unterschied bzw. das Differential zu bestimmen und dadurch die Oberflächenspannung der Flüssig keit zu bestimmen;
Mitteln zum Messen des maximalen Blasendruckes unabhängig an jeder von zwei Öff nungen in einer viskosen Flüssigkeit und Mitteln zum Einstellen der Fließraten an jeder Öffnung in einem Verhältnis, welches die Wirkung des hydrodynamischen Widerstandes des viskosen Fluids gegenüber Blasen streicht, welche an den Öffnungen gebildet wer den;
Mitteln zum automatischen Messen der Temperatur eines Standard-Kalibrierfluids und Auswählen des korrekten, hinsichtlich Temperatur kompensierten Oberflächenspan nungswertes;
Mitteln zum automatischen aufeinanderfolgenden Einstellen von Einstellungen der Fluß steuergeräte und Erzeugen dynamischer Oberflächenspannungskurven unter Verwen dung einer sequentiellen Flußsteuereinstellungs-/Kalibriersequenz.

8. Prüfkopfanordnung zum Abfühlen der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit mit
einem länglichen, starren Rohr, welches an seinem einen Ende mit einem Kragen verse hen ist für die Anbringung an einem Mechanismus zum Stützen der Prüfkopfanordnung in einem Kessel;
mindestens zwei Druckrohren, die sich über die Länge des starren Rohres erstrecken, wobei sich eines durch den Kragen erstreckt und mit einem Fitting versehen ist;
einem Prüfkopf, der am anderen Ende jedes Druckrohres angebracht ist, wobei jeder Prüfkopf mit einer kalibrierten Öffnung an seinem Ende versehen ist;
einem Korb, der an dem anderen Ende des starren Rohres angebracht ist und eine fe sten Boden und eine Vielzahl von Öffnungen an seiner Seite hat, um den freien, nicht turbulenten Fluß des Fluids an den kalibrierten Öffnungen der Prüfköpfe vorbei zu gestat ten, während der Effekt des Abscherens oder der Turbulenz aus dem Fluß oder dem Mi schen oder Gemisch des Fließmittels in dem Kessel gemildert wird.

9. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 8, ferner mit einem Temperaturprüfkopf, welcher in nerhalb des starren Gehäuses angeordnet ist und sich zu der Höhe der kalibrierten Öff nungen erstreckt.

10. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 8, ferner mit Abstandshaltern, die zwischen den Druckrohren und dem starren Rohr angeordnet sind.

11. Prüfkopfanordnung nach Anspruch 8, wobei das starre Rohr perforiert ist.