DE10041051A1 - Verfahren zur Volumenmessung durch Druckstoßbestimmung - Google Patents
Verfahren zur Volumenmessung durch DruckstoßbestimmungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens V eines mit Gas gefüllten Raumes, mit den Schritten: Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases; Einbringen einer vorbestimmten Menge eines Mediums mit dem konstanten Testvolumen DELTAV in Raum; Messen der Änderungen des Druckes DELTAp und der Temperatur DELTAT des Gases; Ermitteln des Volumens V auf Grundlage des vorbestimmten Testvolumens DELTAV und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckänderung DELTAp und Temperaturänderung DELTAT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Volumens V eines mit Gas gefüllten Raumes, mit den Schritten: Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases; Einbringen einer vorbestimmten Menge Gas mit der Testmolmenge DELTAn in den Raum; Messen der Änderungen des Druckes DELTAp und der Temperatur DELTAT des resultierenden Gasgemisches; Ermitteln des Volumens V auf Grundlage der vorbestimmten Testmolmenge DELTAn und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckänderung DELTAp und Temperaturänderung DELTAT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Volumenmessung durch Druckstoßbestimmung,
insbesondere zur Messung von Fassungsvermögen in und Füllmengen bei Behältern
mit komplizierter innerer Struktur.
Ein häufig auftretendes Problem ist die Bestimmung des Fassungsvermögens eines
Behälters mit komplizierter Geometrie und/oder die Füllmenge einer Flüssigkeit oder
eines Gases in diesem Behälter.
Ein einfaches Verfahren zur Bestimmung solcher Fassungsvermögen besteht im Auf
füllen mit einer Flüssigkeit und dem Messen der dazu benötigten Menge an Flüssigkeit.
Dieses Verfahren ist aber nicht immer praktikabel, so z. B. dann nicht, wenn der Behälter
ungewöhnlich groß ist. Wenn der Behälter bereits zu einem bestimmten Zweck verwen
det wird, ist es meist ebenfalls unmöglich, dieses Verfahren durchzuführen.
Aber auch wenn das Fassungsvermögen eines solchen Behälters bekannt ist, können
gängige Methoden zur Ermittlung der Füllmengen von im Behälter vorhandenen flüssi
gen oder gasförmigen Medien nicht immer oder nicht ausreichend genau durchgeführt
werden.
So haben z. B. Pegelmessungen bei Flüssigkeiten den Nachteil, dass bei Behältern mit
komplizierten Formen der Pegelstand nicht immer auf einfache Weise oder sogar nicht
eindeutig mit dem Füllvolumen zusammenhängt.
Ebenfalls problematisch sind herkömmliche Verfahren unter extremen Bedingungen, wie
sie am Behälter angreifende Beschleunigungen bei mobilen Einsätzen oder auch die
Schwerelosigkeit darstellen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, um
mit Gas gefüllte Raumvolumina (und dadurch z. B. das Fassungsvermögen von Behäl
tern) einfach und zuverlässig gemessen werden kann, ohne dass die obenerwähnten
Nachteile auftreten.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 oder 3 gelöst.
Gemäß diesen Verfahren wird jeweils eine bestimmte Menge eines Testmediums in den
mit Gas gefüllten Raum eingebracht. Im Verfahren nach Anspruch 1 wird hierbei ein
konstantes Volumen des Testmediums vorausgesetzt; im Verfahren nach Anspruch 3
wird ein Gas als Testmedium eingesetzt und die Molmenge des Testgases als konstant
angenommen. Durch Druck- und Temperaturmessungen vor und nach dem Einbringen
des Testmediums lässt sich dann unter Verwendung einer geeigneten Zustandsglei
chung für das Gas das Volumen des (ursprünglich) durch das Gas eingenommenen
Raumes bestimmen.
Werden die Messungen der Änderungen der Zustandsgrößen unmittelbar nach der Zu
standsänderung durchgeführt, so kann ein Wärmeaustausch mit der Umgebung ver
nachlässigt und eine adiabatische Zustandsänderung angenommen werden. Bei guter
thermischer Isolation des Systems ist dagegen nicht unbedingt erforderlich, dass die
Messungen schnellstmöglich nach der Zustandsänderung durchgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Verfahren einen Schritt, der die
Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands gewährleistet, so dass durch die Mes
sung keine bleibenden Änderungen am System zurückbleiben.
Bevorzugt wird als Gasgleichung die Ideale Gasgleichung, pV = nRT, verwendet. Diese
Gleichung ist die einfachste Zustandsgleichung für Gase, wodurch sich damit ein gerin
gerer Rechenaufwand als mit anderen Zustandsgleichungen verbunden ist.
Alternativ hierzu können speziell an die Gasart angepasste Zustandsgleichungen wie
die von-der-Waals-Gleichung oder andere Zustandsgleichungen verwendet werden.
Diese werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn eine möglichst hohe Genauigkeit
erforderlich ist.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem
die Füllmenge einer Flüssigkeit in einem Behälter oder das Volumen eines im Behälter
befindlichen Feststoffes unabhängig von der Form des Behälters einfach und zuverläs
sig gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 6 gelöst.
Gemäß diesen Verfahren wird jeweils eine bestimmte Menge eines Testmediums in den
wenigstens teilweise mit Gas gefüllten Behälter eingebracht. Durch Druck- und Tempe
raturmessungen vor und nach dem Einbringen des Testmediums lässt sich dann unter
Verwendung einer geeigneten Zustandsgleichung für das Gas das Volumen des (ur
sprünglich) durch das Gas eingenommenen Raumes bestimmen, und daraus wiederum
das (ursprüngliche) von der Flüssigkeit oder dem Feststoff eingenommene Volumen.
Bevorzugt wird als Testflüssigkeit dieselbe Flüssigkeitsart verwendet, die sich schon im
Behälter befindet. Somit kann - falls notwendig - nach dem Messen der ursprüngliche
Zustand am einfachsten wieder hergestellt werden.
Alternativ wird als Testflüssigkeit eine Flüssigkeit verwendet die sich mit der ursprüngli
chen Flüssigkeit nicht mischt. Bevorzugt hat die Testflüssigkeit in einem solchen Fall
eine von der vorhandenen Flüssigkeit stark abweichende Dichte.
Eine andere Alternative besteht in der Verwendung eines festen, in der Flüssigkeit nicht
auflösbaren Testmediums.
Besonders bevorzugt ist das feste Testmedium ein eine Wand des Behälters darstel
lende Kolbenfläche sein, wobei durch Bewegen des Kolbens die Wand verschoben und
dadurch das Volumen des Behälters verändert wird. In einem solchen Fall können An
fangs- und Endzustand problemlos schnell und reversibel herbeigeführt werden.
Im folgenden werden zwei Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erste Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
unter der Verwendung einer Testmenge von Flüssigkeit;
Fig. 2 eine zweite Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
unter der Verwendung einer Testmenge von Gas.
Beide in den Figuren gezeigten Anwendungsbeispiele dienen zur Erläuterung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens bei der Bestimmung der Flüssigkeitsmenge Vf in einem Be
hälter mit bekanntem Volumen Vo, dessen restliches Volumen V durch ein Gas einge
nommen wird.
In Fig. 1 soll die im Behälter vorhanden Flüssigkeitsmenge Vf durch Verwendung einer
Testmenge Flüssigkeit mit dem Testvolumen ΔV ermittelt werden:
In nicht gezeigten Schritten wird hierzu zunächst im mit (a) bezeichneten Ausgangszu stand der Druck p die Temperatur T des Gases gemessen.
In nicht gezeigten Schritten wird hierzu zunächst im mit (a) bezeichneten Ausgangszu stand der Druck p die Temperatur T des Gases gemessen.
Danach wird ein vorbestimmtes Testvolumen ΔV an Flüssigkeit eingefüllt, wobei vermie
den werden muss, dass beim Einfüllen Gas oder Flüssigkeit aus dem Behälter entwei
chen kann.
Im dadurch resultierenden und mit (b) bezeichneten Zustand ist das durch die Flüssig
keit verdrängte Volumen um ΔV größer, während der durch das Gas eingenommene
Raum um den gleichen Betrag verringert wird.
Da bei dieser Zustandsänderung die Teilchenzahl N und somit die Molzahl n = N/NA (NA
ist die Avogadro-Zahl) des Gases unverändert bleiben, gilt z. B. unter Verwendung der
Idealen Gasgleichung für die beiden Zustände:
(a) pV = nRT
(b) (p + Δp)(V - ΔV) = nR(T + ΔT),
wobei R = NAk die Allgemeine Gaskonstante und k die Boltzmann-Konstante ist.
Somit lässt sich mit dem vorbestimmten Wert ΔV und den gemessenen Werten p, T, Δp,
und ΔT das durch das Gas eingenommene Volumen berechnen, ohne dass hierzu die
Teilchenzahl N bzw. die Molzahl n des vorhandenen Gases benötigt wird:
V = ΔV (p + Δp)T/(TΔp - pΔT).
Das ursprüngliche Flüssigkeitsvolumen ergibt sich aus Vf = Vo - V zu:
Vf = Vo - ΔV(p + Δp)T/(TΔp - pΔT).
Unter Umständen muss bei dem beschriebenen Verfahren berücksichtigt werten, dass
eine endlicher Teil des Gases in der Testflüssigkeit gelöst wird. Bevorzugt werden des
halb Testflüssigkeiten verwendet, bei denen die Löslichkeit des Gases gering oder ge
nau bekannt ist. Dasselbe trifft auch auf feste Testmedien zu.
In Fig. 2 soll die im Behälter vorhande Flüssigkeitsmenge Vf durch Verwendung einer
Testmenge von Gas mit der Testmolmenge Δn ermittelt werden:
In nicht gezeigten Schritten wird hierzu zunächst im mit (a) bezeichneten Ausgangszu stand der Druck p die Temperatur T des Gases gemessen.
In nicht gezeigten Schritten wird hierzu zunächst im mit (a) bezeichneten Ausgangszu stand der Druck p die Temperatur T des Gases gemessen.
Danach wird eine vorbestimmte Testmolmenge Δn an Gas eingebracht, wobei vermie
den werden muss, dass beim Einbringen Gas oder Flüssigkeit aus dem Behälter ent
weichen kann.
Im dadurch resultierenden und mit (b) bezeichneten Zustand ist die Gesamtmolmenge
an Gas Δn größer, während die durch Gas und Flüssigkeit eingenommenen Volumina
unverändert bleiben.
Da bei dieser Zustandsänderung das Gasvolumen V unverändert bleibt, gilt z. B. unter
Verwendung der Idealen Gasgleichung für die beiden Zustände:
(a) pV = nRT
(b) (p + ΔP)V = (n + Δn)R(T + ΔT),
wobei R = NAk die Allgemeine Gaskonstante, NA die Avogadro-Zahl und k die Boltzmann-
Konstante ist.
Somit lässt sich mit dem vorbestimmten Wert Δn und den gemessenen Werten p, T, Δp,
und ΔT das durch das Gas eingenommene Volumen berechnen, ohne dass hierzu die
Teilchenzahl N bzw. die Molzahl n des ursprünglich vorhandenen Gases benötigt wird:
V = ΔnRT(T + ΔT)/(TΔp - pΔT).
Das ursprüngliche Flüssigkeitsvolumen ergibt sich aus Vf = Vo - V zu:
Vf = Vo - ΔnRT(T + ΔT)/(TΔp - pΔT).
Unter Umständen muss bei dem beschriebenen Verfahren berücksichtigt werten, dass
eine endlicher Teil des Testgases in der Flüssigkeit gelöst wird. Bevorzugt werden des
halb Testgase verwendet, deren Löslichkeit in der Flüssigkeit gering oder genau be
kannt ist.
Claims (10)
1. Verfahren zur Bestimmung des Volumens V eines mit Gas gefüllten Raumes, mit
den Schritten:
Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases;
Einbringen einer vorbestimmten Menge eines Mediums mit dem konstanten Test volumen ΔV in den Raum;
Messen der Änderungen der Druckes Δp und der Temperatur ΔT des Gases;
Ermitteln des Volumens V auf Grundlage des vorbestimmten Testvolumens ΔV und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckän derung Δp und Temperaturänderung ΔT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas.
Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases;
Einbringen einer vorbestimmten Menge eines Mediums mit dem konstanten Test volumen ΔV in den Raum;
Messen der Änderungen der Druckes Δp und der Temperatur ΔT des Gases;
Ermitteln des Volumens V auf Grundlage des vorbestimmten Testvolumens ΔV und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckän derung Δp und Temperaturänderung ΔT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt des Wiederherstellens des ursprüng
lichen Zustands durch Entfernen des Testvolumens ΔV.
3. Verfahren zur Bestimmung des Volumens V eines mit Gas gefüllten Raumes, mit
den Schritten:
Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases;
Einbringen einer vorbestimmten Menge Gas mit der Testmolmenge Δn in den Raum;
Messen der Änderungen der Druckes Δp und der Temperatur ΔT des resultieren den Gasgemisches;
Ermitteln des Volumens V auf Grundlage der vorbestimmten Testmolmenge Δn und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckänderung Dp und Temperaturänderung ΔT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas.
Messen des Anfangsdruckes p und der Anfangstemperatur T des Gases;
Einbringen einer vorbestimmten Menge Gas mit der Testmolmenge Δn in den Raum;
Messen der Änderungen der Druckes Δp und der Temperatur ΔT des resultieren den Gasgemisches;
Ermitteln des Volumens V auf Grundlage der vorbestimmten Testmolmenge Δn und der gemessenen Werte von Anfangsdruck p, Anfangstemperatur T, Druckänderung Dp und Temperaturänderung ΔT mit Hilfe einer Zustandsgleichung für das Gas.
4. Verfahren nach Anspruch 3, mit dem Schritt des Wiederherstellens des ursprüng
lichen Zustands durch Entfernen der Testmolmenge Δn.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, in welchem die Gasart der Testmolmenge und
des ursprünglich vorhandenen Gases identisch sind.
6. Verfahren zur Bestimmung des durch eine Flüssigkeit oder einen Feststoff ver
drängten Volumens Vf in einem Behälter mit bekanntem Volumen Vo, dessen rest
liches Volumen V durch ein Gas eingenommen wird, mit den Schritten nach einem
der vorangegangenen Ansprüche, und
Ermitteln des Volumens Vf nach Vf = Vo - V.
7. Verfahren nach Anspruch 6 in Verbindung mit den Ansprüchen 1 oder 2, in wel
chem Vf das durch eine Flüssigkeit verdrängte Volumen ist und das Testmedium
vom selben Flüssigkeitstyp ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 in Verbindung mit den Ansprüchen 1 oder 2, in wel
chem Vf das durch eine Flüssigkeit verdrängte Volumen ist und das Testmedium
ein bewegbarer Kolben ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die Zustandsgleichung
für das Gas durch die Ideale Gasgleichung, pV = nRT, beschrieben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, in welchem die Zustandsgleichung
für das Gas durch die Van-der-Waals-Gleichung beschrieben wird.
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