CN1934427A - 准确测量质量流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量由一种或多种已知气体成份组成的气体中的第一气体成份的质量流的方法。通常这种方法假设某些参数是常量，例如气体组成、压力和/或温度，类似地，也假设气体的热容和密度等为常量。然而，当假设参数为常量时，发现质量流的确定具有相对较高的测量不确定性。本发明的核心在于所述发现和方法，其中连续地确定所有的气体参数，所述气体参数用于确定第一气体成份的质量流，作为气体组成、压力和/或温度的函数会发生较大变化。

Description

准确测量质量流的方法

发明的技术领域

本发明涉及一种测量由一种或多种已知气体成份组成的气体的第一气体成份的质量流的方法，气体在管道中流动，其中一个或多个测量装置和管道相连地安装，所述方法包括以下步骤：利用测量装置确定一种或多个气体参数；和利用确定的一个或多个气体参数确定一种气体成份的质量流。本发明还涉及使用该方法和质量流测量装置。

发明背景

在确定由一种或多种气体成份组成的气体中的一种或多种气体成份的质量流时，通常假设一些气体参数例如温度、气体组成、密度等不变，从而能够确定混合气体中各个气体成份的质量流。

然而，这可能引起高的测量不确定，因为通常这些气体参数会随着时间变化，从而影响一个或多个的各气体成份的质量流的确定。当然，这是不方便的，因为例如在酿酒的发酵过程、腐烂箱中的腐烂过程、沼气厂排气管等等中，能够准确地确定各个气体的质量流是有利的，或者能够监视过程或者在有用户的情况下响应一个或多个气体成份的质量流能够对用户征税。

因此需要一种测量混合气体中第一气体成份的质量流的方法，其中所述方法与已知方法相比，较大地减少了测量的不确定性。

发明概述

已经证明利用上述类型的方法实现了上述目的，所述方法的特征在于：一种或多种气体参数的确定包括在确定一种气体成份的质量流中使用的所有这些气体参数的连续确定，所述气体参数可作为气体的组成和/或气体温度的函数而发生较大变化。因此，确定与较低的测量不确定性相关的第一气体成份的质量流，因为这时是确定在确定质量流中使用的和作为气体组成的函数可能发生较大变化的这些气体参数，而不是将其设为预定值。

在测量混合气体中第一气体成份的质量流的已知方法的情况下，假设气体组成是不随时间变化的。术语“气体组成”概括了气体中各种已知气体成份的组成。诸如这种气体组成可以用体积百分比或用重量百分比来描述。然而，气体组成不随时间变化不是必需的，因此如上所述的方法在确定质量流时考虑了气体组成可能随着时间变化，从而可以以比已知的方法提供的精确度高的多精确度执行。根据本发明的方法也不断地考虑气体粘性、温度和其他气体参数的变化，从而以现有技术不可能获得的精确度进行质量流的测量。

优选地，关于管道，结合了由绝缘材料包围的管状体，优选地该方法包括为管状体中的气体提供一定量的能量的步骤。因此，对作为所提供的能量的函数的气体参数变化的确定可能有助于确定第一气体成份的质量流。能量E可以作为例如通过输送提供给管状体的能量提供或是例如由管状体中和气体直接接触气体的加热元件或加热棒提供给气体本身的能量提供给管状体的能量。术语“与管道结合在一起的管状体”意欲覆盖该管状体可构成气体流动的管道的一部分和该管状体可构管道的分支二者，因此气体由管道输送，通过管状体并回到管道中。最后，该术语也可覆盖包括该管道的特定部分，关于此，相关部分测量装置，用于测量气体中气体成份的质量流。

根据本方法的优选的实施例，用于确定一种或多种气体参数的测量装置包括体积百分比测量仪和两个温度测量仪，其中体积百分比测量仪放置在管状体内或紧邻管状体，一个温度测量仪放置在管状体的入口，另一个温度测量仪放置在管状体的出口。

根据本方法的又一个优选的实施例，使用测量装置确定一种或多种气体参数的步骤包括确定在管状体入口的气体温度和确定在管状体出口的气体温度。此外可使用体积百分比测量仪测量混合气体的第一气体成份的体积百分比，从而能够连续地确定第一气体成份的体积百分比和在管状体的入口及出口的气体温度，因此其当前值可用于确定第一气体成份的质量流。

优选地，连续地确定的和参与质量流的确定的气体参数包括该气体组成和在管状体入口的气体温度T₁以及在管状体出口的气体温度T₂。利用确定第一气体成份的体积百分比的体积百分比测量仪确定气体组成；基于该确定，能够确定气体组成。基于气体的组成及其当前温度，能够连续地确定气体的热容并用于准确地确定第一气体成份的质量流。

根据本方法的可替代的、优选的实施例，测量装置包括压力差分表和体积百分比测量仪，连续地确定的和参与第一气体成份的质量流确定的那些气体参数包括限制范围(across restriction)内的差分压力和第一气体成份的体积百分比。因此根据本发明的方法可以与压力差分表和体积百分比测量仪一起使用，这是测量质量流的通常的测量装置。

优选地，根据本发明的方法中使用的测量装置也包括温度测量仪，连续地确定的和参与第一气体成份质量流确定的第一气体成份的那些气体参数也包括气体温度。当已知气体的压力、温度和组成时，可以计算其密度。使用压力差分测量仪，气体密度参与计算气体成份质量流，但通常假设气体密度保持不变。但是，典型地气体密度作为气体温度和气体组成的函数发生较大变化，因此与常规的方法相比，连续地确定气体密度会更精确地确定气体成份的质量流。如上所述，优选地，连续地确定的和参与质量流确定的那些气体参数包括气体的密度。然而，需要注意，通常基于已知的气体温度、压力和组成确定密度。此外也可以测量限制(restriction)的雷诺数，因为它也可能变化并且由于雷诺数影响限制范围内的压力损失系数，因此影响第一气体成份的质量流的确定。然而，压力损失系数的变化是相对有限的。

根据又一个可替代的方法，测量装置包括电热丝和体积百分比测量装置。电热丝是简单的流测量装置，包括放置在测量的气体流中的具有温度相关的电阻的电导体。电压施加在电热丝上并测量流经电热丝的安培数并且可与温度相关，从而与电热丝向气体流放射的能量相关。当电热丝和例如测量第一气体成份的体积百分比的体积百分比测量仪组合时，能够确定当前的气体粘性的当前值、气体的热容、气体的导热性、气体的密度和气体的温度。因此与只使用电热丝的情况相比，可以获得更准确的气体成份的质量流测量。

在一个可替代施例中，测量装置还包括温度测量仪，从而能够得到气体温度的准确值。

根据本方法的优选实施例，连续地确定的和参与质量流的确定的气体参数包括下列气体参数的一个或多个：气体的粘性、气体的热容、气体的导热性、气体的密度、气体的温度和第一气体成份的体积百分比。如上所述的，因此实现第一气体成份的质量流的准确确定。

根据优选实施例，本方法本身可用于确定饱和状态的第一气体成份的质量流。当已知第一气体成份处于饱和状态并且当已知第一气体成份参与其中的气体的压力和温度时，通过计算可以确定第一气体成份的体积百分比。在此情况下，不必测量该气体成份的体积百分比。如果已知第一种气体成份处于饱和状态的两种成份组成的气体，也可以计算第二种气体成份的体积百分比。对于具有三种成份的气体，如果已知第一种气体成份处于饱和状态，则可以测量其余气体成份的一种气体成份的体积百分比并且计算最后一种气体的体积百分比。因此，当本方法用于已知其一种气体成份处于饱和状态的气体时，不必要测量该饱和气体成份的体积百分比。本方法特别优选的用途是其中处于饱和状态的第一气体成份为水蒸气的气体。这种气体例如可以是沼气。如上所述的，特别有利的是能够准确地测量沼气，因为能够高度准确地正确的计算税收(taxes)。

此外，本发明涉及测量由一种或多种已知气体成份组成的气体的第一气体成份的质量流的质量流测量装置，其中该质量流测量装置执行如上所述的方法。

根据该质量流测量装置的特别有利的实施例，它包括由绝缘材料包围的管状体，管状体与气体流动的管道相连，所述管状体具有流动气体的入口和出口、为管状体内的气体提供能量的装置、在管状体入口的温度测量仪、在管状体出口的温度测量仪和体积百分比测量装置。提供给气体的能量优选地是给定量的能量E，从而能够准确计算不同气体成份的质量流。

在上面的描述中，假设混合气体是由已知气体成份组成的气体，即具有已知参数的气体成份。在本说明书中，这些参数也称为“气体的参数”或“气体参数”，这些术语覆盖了诸如密度、热容、粘性和导热性的气体参数。这样的已知气体成份可以是H₂O、CO₂、CH₄等，其参数在相关手册中揭示。

需要注意，术语“发生较大变化”应理解为“发生大于5％的变化”，优选地是“发生大于10％的变化”。

在上面的描述中，说明了根据本发明的方法用于确定气体中的第一气体成份的质量流。当然应当懂得，本方法也可用于同时或并行地确定该气体中其他气体成份的质量流。

本发明的具体说明

现在参照附图更详细地揭示本发明，这些图表示：

图1是根据本发明的方法的总体流程图；

图2是根据本发明的方法的实施例的流程图，其中所述方法与根据热容原理的质量流测量装置一起使用；

图3是根据本发明的方法的实施例的流程图，其中所述方法与具有压力差分测量仪的质量流测量装置一起使用；

图4是根据本发明的方法的实施例的流程图，其中所述方法与具有电热丝的质量流测量装置一起使用；

图5至7表示根据本发明和根据热容原理的质量流表的三个不同的实施例。

图1是根据本发明的方法的总体流程图。该方法用于测量由一种或多种气体成份组成的气体的第一气体成份的质量流；但是，它可用于同时地确定气体中其他气体成份的质量流。流程图从步骤10开始，在步骤20气体被输入管道，其中安排一个或多个测量装置与管道相连。在步骤30使用这些测量装置连续地确定一种或多种气体参数，例如体积百分比、温度、压力。需要注意，连续地确定参与确定第一气体成份质量流的那些气体参数，因此也使用当前值确定作为气体组成、压力和/或温度的函数的、可能较大变化的那些气体参数。在步骤40，基于通常的计算方法和利用确定质量流使用的那些气体参数的当前值确定质量流。流程在步骤50结束。通常测量装置通过有线或无线与存储单元相连，从而由测量装置执行的测量自动地存储在该存储单元中，通常计算器单元和该存储单元相连并根据本方法执行计算。

图2是根据本发明的方法的实施例的流程图，其中该方法与根据热容原理的质量流测量装置一起使用。因此图2的流程图表示图1所示的发明的实施例。流程图从步骤110开始，在步骤120，气体被输入管状体中，该管状体与管道共同组合并由绝缘材料包围。在这个实施例中，在管状体的入口安置第一温度测量仪，在管状体的出口安置第二温度测量仪。可选地，第一温度测量仪也可安置在管状体入口之前，例如在锅炉和管状体入口之间的出现的温度差可以忽略的话，管状体的入口可连接在酿造厂的锅炉并且第一温度测量仪可安置在锅炉内而不是管状体内。

在步骤130，即在管状体的入口利用第一温度测量仪测量气体的温度T₁，而在步骤140，将已知量的能量E提供给该气体。例如通过将加热棒插入管状体可以提供能量，管状体与在管状体内流动的气体直接接触并向气体发射热量。可选地，通过向管状体提供电力可以向气体提供热量。在步骤150，即在管状体的出口利用第二温度测量仪测量气体的温度T₂。第一和第二温度测量仪最好是温度计。

在步骤160，确定气体(即气体组成)中各种气体成份的体积百分比。如果气体是一种成份的气体，当然该气体的体积是100。如果该气体是两种成份的气体，通过测量一种气体的体积百分比可以确定该气体的组成。如果已知一种气体处于饱和状态，通过计算可选地确定气体成份的体积百分比(如果已知气体的压力和温度)；因而不需要测量任何气体成份的体积百分比。如果该气体由三种成份组成，其中一种成份处于饱和状态，通过测量一种气体成份的体积百分比可以确定气体组成，并通过计算确定其余气体成份的体积百分比。如果三种成份组成的气体中的任何一种成份都不处于饱和状态，则测量两种气体成份的体积百分比，以便能够确定气体组成。概括来说，如果任一种气体成份都不处于饱和状态，通过测量X-1种气体成份的体积百分比，或者如果已知一种气体成份处于饱和状态，通过测量X-2种气体成份的体积百分比就可以确定具有X种成份的气体的气体组成。

基于测量的T₁，T₂和E的测量以及该气体中的气体成份的体积百分比的测量和/或确定，可以连续地确定(步骤170)第一气体的重量百分比除以总气体的特定热容(重量％/C_p)的当前值，所述重量％/C_p作为当前温度和第一气体成份的体积百分比的函数。基于这种情况，可以确定第一气体成份的质量流(步骤180)。在步骤50流程图结束。

具有几种气体成份的气体的例子可以包括沼气，即主要由CO₂，H₂O和CH₄组成和任选地包括一些N₂(都是气体形式)的气体，这几种气体成份需要确定一种气体成份的质量流。沼气用于产生热量或产生热量和能量产物，并且可以从沼气厂提供。希望能够准确地测量沼气中的甲烷含量，一方面能够监视沼气厂的腐烂过程，另一方面能够提供由甲烷表示的能量/效果的精确值。

典型地希望确定CH₄的质量流，如果沼气是饱和的水蒸气，通过CH₄的体积百分比的测量和体积百分比的计算可以确定各个气体成份的体积百分比(步骤160)，因为在气体是饱和的水蒸气这一事实的基础上可以直接地确定水的体积百分比，和可以计算CO₂的体积百分比，因为CO₂组成该气体的其余部分。当已知气体成份的体积百分比的当前值时，在已知各个气体成份的特定热容和气体常数(R_CH4，R_CO2和R_H2O)的基础上可以确定以该气体成份的特定热容和重量百分比的形式的气体参数。从而连续地知道气体的组成，因此能够以比常规的方法更加准确地确定一种或多种气体成份的质量流，常规的方法假设气体的组成和特定热容是恒定的。

如上所述，用于执行图2所示的方法的测量装置通常和存储单元或者通过有线或者通过无线一起出现，从而其测量结果自动地存储在存储单元中，而计算单元通常连接至存储单元并根据本方法执行计算。

图3是表示根据本发明的方法的实施例的流程图，其中该方法与具有压力差分测量仪的质量流测量装置一起使用。因此图3的流程图表示图1所示的方法的实施例。如在图1和2的描述所述的，测量装置通常通过有线或无线和存储单元相连，从而其测量自动地存储在该存储单元中，而计算器单元典型地通过有线或无线和该存储单元相连并根据本方法执行计算。

流程图从步骤210开始，在步骤220，气体被输入与管道结合在一起的管状体中。这个管状体可以仅仅是安排测量装置的管道的一部分。在该管状体中，可以插入压力差分测量仪与气体直接接触；所述压力差分测量仪测量限制范围内的压力差ΔP(步骤230)。在步骤240确定气体中各个气体成份的体积百分比。如在图1的步骤160所述那样执行步骤240。在步骤250中连续地计算需要确定质量流的气体成份的当前重量百分比。

作为气体温度和组成的函数的混合气体的密度发生较大的变化，这对于确定当前气体组成的质量流的确定的准确度是相当重要的。对于由几种气体成份组成的气体来说，混合气体中的一种气体的体积百分比和重量百分比没有线性关系，因此一种气体的重量百分比可能发生变化，而其体积百分比却保持不变，因为其余气体成份的体积百分比可能变化。但是，如果已知该气体组成(气体成份的体积百分比)，并且已知各个气体成份的密度，助能够准确地确定各个气体成份的当前重量百分比。在计算需要确定质量流的气体成份的当前重量百分比时，可以根据当前的计算方法确定气体成份的质量流。

需要注意，气体成份的密度会随着温度变化发生较大变化。因此本方法也可延伸到(未示出)包括对温度的测量，从而气体成份的密度的当前值可用于确定各个气体成份的质量流。可选地，如果已知温度没有发生大的变化，可将气体的温度输入计算器单元。流程图在步骤270结束。

如上所述的，测量装置通常通过有线或无线和存储单元相连，从而其测量自动地存储在该存储单元，计算器单元通常通过有线或无线和存储单元相连并根据本方法执行计算。

图4是根据本发明的方法的实施例的流程图，其中该方法采用具有电热丝的质量流测量装置。因此，图4的流程图表示图1所示的方法的实施例。电热丝是具有电导体的流测量仪，其电阻取决于温度。该电导体放置于管道中，垂直于气体流的流方向。电压与测量的安培数同时施加在电导体上。测量的安培数和气体流的速度相关；查阅表格和数据库。

流程图从步骤310开始，在步骤320气体被输入与管道结合在一起的管状体中。管状体可以仅仅是安排测量装置的管道的一部分。如上所述的，在管道体中放置与空气直接接触的电热丝。如上述图的描述所述的，各种测量装置通常通过有线或无线与存储单元相连，从而其测量自动地存储在存储单元，计算器单元通常通过有线或无线与存储单元相连并根据本方法执行计算。步骤330包括测量和存储电热丝的安培数并将它与校准表比较，安培数和气体的给定流动速度相关。在步骤340，确定需要确定质量流的气体成份的体积百分比。通常一种或多种气体成份的体积百分比由上述的体积百分比测量仪测量，由此获知以体积百分比的气体的组成。当已知气体成份及其组成时，基于已知的气体成份的相应参数(例如通过查表)确定用于确定一种或多种气体成份的质量流的气体的那些参数的当前值。根据通常计算方法用于计算质量流的这些参数可以是下列参数的一个或多个：粘性、热容、热传导性、各种气体成份或气体的密度。

此外，本实施例可包括在管状体的温度测量仪，由此来自电热丝和体积百分比测量装置的测量结果增加了温度测量，从而提高准确性(未示出)。

再次，与常规方法相比，图4所示的方法的新颖性在于使用实际的气体组成而不是预计的气体组成。当已知该实际气体组成时(而且已知气体温度或任选地也已知其压力也是优选的)，可以使用热传导性、热容、粘性和密度的当前值，这有助于大大地提高质量流确定的准确性。

需要注意，尽管图1至4的流程图以特定的顺序表示步骤，这些步骤通常是同时和连续地执行。用于执行图1至4所示的方法的测量装置通常是通过有线或无线与存储单元相连，从而其测量自动地存储在存储单元，而计算器单元通常通过有线或无线与存储单元相连并根据本方法执行计算。

图5至7表示根据本发明和根据热容原理的质量流测量装置的不同的实施例。在所有的四个实施例中，质量流测量装置包括数个测量装置，并且在所有的四个实施例中，不同的测量装置通过有线或无线与存储单元相连(未示出)，从而其测量自动地存储在存储单元，而计算器单元(未示出)通过有线或无线与存储单元相连并执行确定质量流所需要的计算。所示的质量流测量装置的测量装置用于执行当前/连续的测量。在本说明书中，术语“当前”和“连续”应理解为“以小的间隔”，例如“以1秒的间隔”，“以分钟的间隔”或“以十分钟的间隔”，术语“当前”和“连续”含义的范围必需考虑与测量值的变化频率的关系。

图5是质量流测量装置400的剖面图，包括具有入口411和出口412的管状体410，用于测量由几种成份组成的气体中甲烷的质量流，例如由H₂O，CO₂和CH₄组成的沼气中甲烷的质量流。

管状体是与管道结合在一起配置的(未示出)，气体通过入口411引入管状体410、通过管状体410并由出口412排出，即沿着箭头方向。在该管道外径的一部分的周围安排电热元件或热交换器420，可以给管状体410供热，从而给管状体内流动的气体供热。由绝缘垫430包围管道部分410和热交换器420，从而降低从管状体410和热元件420到外部的热损失。

在管状体410的入口411放置温度测量仪460，用于测量在质量流测量装置400的入口的气体的温度T₁，并在出口412放置温度测量仪465，测量气体离开质量流测量装置400时的气体的温度T₂。此外，在管状体大概1/2处，还分别放置两个温度测量仪461和462，分别用于测量管状体410内壁温度T₀和绝缘垫430外部温度T_u。最后，体积百分比测量装置440测量甲烷(CH4)的体积百分比。在质量流测量装置400的实施例中，压力表450也测量管状体410的入口411的压力P。

如上所述，给定量的能量E₁通过热交换器420电馈给该管状体，从而沿着绝缘垫430产生温度差(ΔT＝T₀-T_u)。基于温度差ΔT计算产生的热损失E₂。基于此，可以确定提供给气体的热量或能量，它构成E₁-E₂。

基于测量的甲烷的体积百分比和如上所述的计算可以确定气体的组成。因此可以计算气体的当前密度和热传导性。由于已知该气体组成、温度(在入口和出口)、压力(在入口)和提供给气体的能量的数量的当前更新值，因此可以准确地确定甲烷的质量流。

图6是质量流测量装置500的示例实施例的剖面图，所述质量流测量装置400包括具有入口511和出口512的管状体510，用于测量由几种成份组成的气体中的甲烷的质量流，例如测量由H₂O，CO₂和CH₄组成的沼气中的甲烷的质量流。

管状体510与管道结合在一起(未示出)，气体通过入口511引入管状体510、通过管状体510并通过出口512排出，即沿着箭头方向。在管状体510内放置加热棒520，和流经管状体的气体直接接触，从而将热量传递给气体。绝缘垫530包围管状体510，从而降低从管状部件510到外部的热损失。

质量流测量装置也分别包括温度测量仪560、561、562和565，分别测量入口511、加热棒520、绝缘垫530外部和出口523处的气体温度。根据可替代的实施例，可以省略温度测量仪562，因为在有些情况下可以假设向周围的热散射接近零或者可以估计热损失。最后该质量流测量装置包括用于测量例如甲烷的体积百分比的体积百分比测量仪540和压力表550。

加热棒向质量流测量装置中的气体发射已知量的能量；基于温度测量结果可以计算出通过绝缘材料损失的能量的数量，从而可以确定被气体吸收的能量的数量。如图5的描述中所述的，现在可以准确地确定甲烷的质量流，因为现在可以通常地确定气体组成、温度(在入口和出口)、压力(在入口)和提供给气体的能量的数量的值。

在图5和6所示的实施例中，质量流测量装置可以是插入管道内并且具有基本上与管道相同的内径的管状部分。可替代地，在现有管道周围和/或内部安置包括测量装置、热交换器和绝缘垫组成的质量流测量装置是一种选择。

图7是质量流测量装置600的另一个示例的实施例的部分剖面图，所述质量流测量装置600包括管状体610，用于测量由几种成份组成的气体中甲烷的质量流，例如测量由H₂O，CO₂和CH₄组成的沼气中甲烷的质量流。在管状体610周围提供绝缘材料630，在管状体610内安置加热棒620。

类似于图5和7中所示的实施例，质量流测量装置包括数个测量装置，即在质量流测量装置600入口处的压力表635和温度测量仪660，在质量流测量装置600出口处的体积百分比测量仪640和温度测量仪665，和在质量流测量装置600大约1/2处的两个温度测量仪661和662。

在所述实施例中，配置质量流测量装置600与气体流动的管道700配合作为一个分支。质量流测量装置600通过两个T字片720和连接管状部件711和712连接至管道700。一个T字片720将管道700连接至与质量流测量装置600的入口611相连的管状部件711。另一T字片720将管道700连接至与质量流测量装置600的出口612相连的管状部件712。诸如隔断阀的隔板或关闭机制710调节气体是通过管道700或是通过质量流测量装置流动。隔板机制710安置在两个T字片720之间的管道部分700上，从而阻止或允许气体通道通过两个T字片720之间的管道部分700。另一个隔板机制710安置在上游T字片720和管状部件711之间。在隔板机制打开的情况下，气体通道可以通过质量流测量装置。此外在管状部件712和下游T字片720之间可以提供另一个隔板机制，当允许气体通道通过管道700的隔板机制710时，避免气体能够通过管状部件712和质量流测量装置600的出口712流入质量流测量装置。

如上所述，图5至7所示的质量流测量装可以用于测量包含几种成份的气体的一种或多种成份的质量流。上面所述的一个例子是测量沼气厂的甲烷的质量流，其中气体典型地包括饱和的水蒸气、CO₂和CH₄，因此只要求测量一种体积百分比，即上述例子中的CH₄的体积百分比。使用质量流测量装置的另一个例子是测量酿造厂的CO₂的质量流，所述测量可用于监视酿造的过程。但是，所述的方法和质量流测量装置可以用于测量包含一种或多种成份的气体的任一种成份的质量流。

下面给出利用图5至7所示的质量流测量装置计算沼气中甲烷的质量流的方法的例子。

假设使用类似图5所示的质量流测量装置并且气体是由H₂O，CO₂和CH₄组成的沼气，其中在至质量流测量装置的入口处的气体温度是T。沼气被导入质量流测量装置并且通过热交换器461在其通道期间Δt[Kelvin]被加热。干燥气体作为开始点，即vol％_dryCO2＝100％-vol％_dryCH4，其中vol％_dryCO2和vol％_dryCH4分别是气体CO2和CH4在干燥气体中的体积百分比。但是，沼气处于水饱和状态，其中饱和的水蒸气压力P_dm≈5,21·10^-12·(T-178,7)^7,12[P_a]。

当P是质量流测量装置入口处的压力时，气体成份的体积百分比如下所示：

vol％_CH4＝vol％_dryCH4(1-P_dm/P)，

vol％_CO2＝vol％_dryCO2(1-P_dm/P)，

vol％_H2O＝100P_dm/P。

用于加热的能量是E[watt]，其中质量流 和提供的能量E之间的关系是： $E=\stackrel{\·}{m}\·C_{p,\mathrm{gas}}\·\mathrm{\Δt},$ 其中C_p，gas是混合气体的热容[J/kg·K]。甲烷的质量流可以确定为 ${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{CH}4}=\stackrel{\·}{m}\·\mathrm{weight}{\%}_{\mathrm{CH}4}/100,$ 其中weight％_CH4是甲烷在混合气体中的重量百分比。甲烷的质量流为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{CH}4}=\frac{E}{\mathrm{\Δt}}\·\frac{\mathrm{weight}{\%}_{\mathrm{CH}4}}{C_{p,\mathrm{gas}}\·100}---\left(1\right)$

通常weight％_CH4表示为气体温度和混合气体中甲烷的体积百分比的函数，因为它们是可以直接测量的值。

首先确定甲烷的体积百分比和重量百分比的关系。它是熟知的：

${\mathrm{weight}\%}_{\mathrm{CH}4}=\frac{\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}\·100}{R_{\mathrm{CH}4}}}{\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{R_{\mathrm{CH}4}}+\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CO}2}}{R_{\mathrm{CO}2}}+\frac{{\mathrm{vol}\%}_{H2O}}{R_{H2O}}}---\left(2\right)$

其中R_CH4＝518,7J／kg·K是甲烷的气体常数；

R_CO2＝189,0J／kg·K是二氧化碳的气体常数；和

R_H2O＝461,5J/kg·K是水的气体常数；

其中vol％_CO2和vol％_H2O分别是二氧化碳和水的体积百分比。

混合气体的特定热容C_p，gas可表示为：

$C_{p,\mathrm{gas}}=\frac{C_{p,\mathrm{CH}4}\·\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}\·100}{R_{\mathrm{CH}4}}+C_{p,\mathrm{CO}2}\·\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CO}2}}{R_{\mathrm{CO}2}}+C_{p,H2O}\·\frac{{\mathrm{vol}\%}_{H2O}}{R_{H2O}}}{\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{R_{\mathrm{CH}4}}+\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CO}2}}{R_{\mathrm{CO}2}}+\frac{{\mathrm{vol}\%}_{H2O}}{R_{H2O}}}---\left(3\right)$

联合等式(2)和(3)，得到：

$\frac{{\mathrm{weight}\%}_{\mathrm{CH}4}}{R_{p,\mathrm{gas}}}=\frac{100\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{C_{p,\mathrm{CH}4}\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}+C_{p,\mathrm{CO}2}\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CO}2}\·\frac{R_{\mathrm{CH}4}}{R_{\mathrm{CO}2}}+C_{p,H2O}\·{\mathrm{vol}\%}_{H2O}\·\frac{R_{\mathrm{CH}4}}{R_{H2O}}}---\left(4\right)$

其中这是公知的：

C_p，CH4＝1180+3,464·(T+Δt/2)[J/kg·K]    (4a)

$C_{p,\mathrm{CO}2}=1541-\frac{\mathrm{3,452}\·{10}^5}{T+\frac{\mathrm{\Δt}}{2}}+\frac{\mathrm{4,410}\·{10}^7}{{(T+\frac{\mathrm{\Δt}}{2})}^2}[J/\mathrm{kg}\·K]---\left(4b\right)$

$C_{p,H2O}=4614\frac{\mathrm{3,452}\·{10}^5}{{(T+\frac{\mathrm{\Δt}}{2})}^{0.5}}+\frac{\mathrm{9,648}\·{10}^5}{{(T+\frac{\mathrm{\Δt}}{2})}^2}[J/\mathrm{kg}\·K]---\left(4c\right)$

当气体常数的值代入等式(4)时，得到：

$\frac{{\mathrm{weight}\%}_{\mathrm{CH}4}}{R_{p,\mathrm{gas}}}=\frac{100\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{C_{p,\mathrm{CH}4}\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}+C_{p,\mathrm{CO}2}\·{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CO}2}\·\mathrm{2,744}+C_{p,H2O}\·{\mathrm{vol}\%}_{H2O}\·\mathrm{1,124}}---\left(5\right)$

作为近似函数，可以使用下式：

$\frac{{\mathrm{weight}\%}_{\mathrm{CH}4}}{C_{p,\mathrm{gas}}}=K_1\·T^{\mathrm{\α}}\·{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}^{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

为了确定等式(6)中的常数值，即K₁，α和β的值，确定典型的操作域：

在下面假设Δt＝10℃，压力P＝1,033·10⁵Pa，最低温度T_min和最高温度T_max分别为281K(＝8℃)和328K(＝55℃)。因此表示式T+Δt/2分别等于286K和333K。由等式(4a)至(4c)给出各个气体成份的特定热容。因此C_p，CH4在286K时等于2171J/kg·K，在333K时等于2333J/kg·K；C_p，CO2在286K时等于840J/kg·K，在333K时等于878J/kg·K；在286K时C_p，H2O等于1889J/kg·K，在333K时等于1859J/kg·K。此外假设体积百分比vol％_dryCH4可等于50％或70％，因此获得四个测量点(即T＝281K和vol％_dryCH4＝50％；T＝281K和vol％_dryCH4＝70％；T＝328K和vol％_dryCH4＝50％以及T＝328K和vol％_dryCH4＝70％)。

当这四个测量点的值代入等式(5)并且在设置等式(5)等于等式(6)时，等式(6)近似等于下式：

$\frac{{\mathrm{weight}\%}_{\mathrm{CH}4}}{C_{p,\mathrm{gas}}}=\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{T^{\mathrm{0,25}}\·544}---\left(7\right)$

如果等式(7)代入等式(1)，得到：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{CH}4}=\frac{E}{\mathrm{\Δt}}\·\frac{{\mathrm{vol}\%}_{\mathrm{CH}4}}{T^{\mathrm{0,25}}\·544}---\left(8\right)$

等式(8)表示以提供给气体的能量E所表示的甲烷的质量流，质量流测量装置的入口和出口处气体的温度差，甲烷的温度和体积百分比。注意，上述计算示例只是作为基于测量的计算来确定甲烷的质量流方法的示例。只要考虑了当前温度和气体组成，也可应用其他的计算方法。

Claims (16)

1.一种用于测量由一种或多种已知气体成份组成的气体中的第一气体成份的质量流的方法，气体在管道中流动，其中一种或多种测量装置(440，450，460，461，462，465；540，550，560，561，562，565；635，640，660，661，662，665)和管道相连地安排，所述方法包括下列步骤：

利用测量装置(440，450，460，461，462，465；540，550，560，561，562，565；635，640，660，661，662，665)确定气体的一种或多种气体参数，

利用确定的一种或多种气体参数确定一种气体成份的质量流，

其特征在于：

确定一种或多种气体参数包括连续地确定在确定一种气体成份的质量流中使用的所有气体参数，所述气体参数可作为气体组成、压力和/或温度的函数而发生较大变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：管状体(410；510；610)与管道结合在一起，管状体(410；510；610)是由绝缘材料(430；530；630)包围的，其中所述的方法进一步包括下列步骤：

为管状体(410；510；610)中的气体提供一定量的能量E。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：用于确定一种或多种气体参数的测量装置(440，450，460，461，462，465；540，550，560，561，562，565；635，640，660，661，662，665)包括体积百分比测量仪(440；540；640)和两个温度测量仪(460，465；560，565；660，665)，其中体积百分比测量仪(440；540；640)放置在管状体(410；510；610)内或与管状体(410；510；610)紧密相连，一个温度测量仪(460；560；660)放置在管状体(410；510；610)的入口，另一个温度测量仪(465；565；665)放置在管状体(410；510；610)的出口。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于通过测量装置确定一种或多种气体参数的步骤包括：

确定管状体入口处气体温度T₁；和

确定管状体出口处气体温度T2。

5.根据权利要求2至4所述的方法，其特征在于连续地确定的和参与质量流的确定的气体参数组成气体组成和管状体入口的气体温度T₁和管状体出口的气体温度T₂。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该测量装置包括压力差分测量仪(450；550；640)和体积百分比测量仪(440；540；640)；连续地确定的和参与第一气体成份的质量流确定的气体参数包括限制范围内的的压力差分和第一气体成份的体积百分比。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于该测量装置进一步包括温度测量仪(460，461，462，465；560，561，562，565；660，661，662，665)，连续地确定的和参与第一气体成份的质量流确定的气体参数进一步包括气体温度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于连续地确定的和参与质量流确定的气体参数包括气体密度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于测量装置包括电热丝和体积百分比测量仪。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于测量装置也包括温度测量仪。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于连续地确定的和参与质量流确定的气体参数包括下列一个或多个气体参数：气体的粘性、气体的热容、气体的导热性、气体的密度、气体的温度和第一气体成份的体积百分比。

12.根据权利要求1至11的任一个权利要求的方法的用途，用于确定处于饱和状态的第一气体成份的质量流。

13.根据权利要求12的方法的用途，其中处于饱和状态的第一气体成份是水蒸气。

14.根据权利要求1至11的任一个权利要求的方法的用途，用于确定沼气中的第一气体成份的质量流。

15.一种质量流测量装置，用于测量由一种或多种已知气体成份组成的气体中的第一气体成份的质量流，其中该质量流测量装置用于执行根据权利要求1至11的任一个权利要求的方法。

16.根据权利要求15的质量流测量装置，其中该质量流测量装置包括由绝缘材料(430；530；630)包围的管状体(410；510；610)，其中该管状体(410；510；610)和气体流动的管道相连，该管状体(410；510；610)具有流动气体的入口(411；511；611)和出口(412；512；612)；用于为管状体(410；510；610)中的气体提供能量的装置(420；520；620)，在该管状体(411；511；611)入口的温度测量仪(460；560；660)，在该管状体(412；512；612)出口的温度测量仪(465；565；665)和体积百分比测量仪(440；540；640)。

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