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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung
des Gasanteils in einem Gas-Fördergutgemisch. Ferner betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen
eines gewünschten Gasanteils in einem Gas-Fördergutgemisch.
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II. Technischer Hintergrund
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Für
diverse Zwecke ist es notwendig, den Anteil eines Gases in einem
Gas-Fördergutgemisch zu messen und ferner sicherzustellen,
dass ein definierter Anteil eines Gases in einem Gas-Fördergutgemisch
enthalten ist, wobei das Fördergut flüssig oder
pastös ist.
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So
muss beispielsweise bei geschäumten Gummiwerkstoffen der
Gasanteil in der Gummimasse genau bestimm- und einstellbar sein,
um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erhalten.
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Eine
Möglichkeit, den Volumenanteil eines Gases in einem Gas-Fördergutgemisch
zu bestimmen besteht darin, die Kompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
zu bestimmen und aus dieser Rückschlüsse auf die
Zusammensetzung zu ziehen.
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Die
Kompressibilität eines Stoffes beschreibt die Änderung
des Volumens auf Grund einer Druckänderung. Es ist bekannt,
dass die Kompressibilität von Gasen deutlich höher
als die Kompressibilität von Flüssigkeiten ist.
Dementsprechend liegt die Gesamtkompressibilität eines
Gas-Fördergutgemischs zwischen den Einzelkompressibilitäten
des Gases und der Flüssigkeit bzw. des Feststoffes.
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Je
nach Zusammensetzung liegt die Gesamtkompressibilität näher
an der Kompressibilität der Flüssigkeit bzw. des
Feststoffes oder an der Kompressibilität des Gases. Die
Gesamtkompressibilität ist proportional zu dem Anteil des
Gases in dem Gas-Fördergutgemisch. Dadurch ist es möglich,
aus den bekannten Einzelkompressibilitäten und der gemessenen
Gesamtkompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Gas-Fördergutgemischs
zu ziehen.
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Es
sind Verfahren bekannt, bei denen geringe Mengen des Gas-Fördergutgemischs
zum stichprobenartigen Messen des Volumenanteils des Gases aus der
Leitung abgeführt und in einem Messbehälter auf
die Gesamtkompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
und den Volumenanteil des Gases überprüft werden.
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Ein
solches Verfahren beschreibt die
DE 197 40 018 C1 , bei der Stichproben einer
Wandfarbe vor dem Auftragen in einer Messzelle auf den in der Wandfarbe
gelösten Anteil von Lufteinschlüssen überprüft
werden.
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Dazu
wird eine Stichprobe in einen Behälter eingefüllt,
der ein abgeschlossenes erstes Volumen mit einem bestimmten ersten
Druck aufweist. Durch einen Kolben wird das erste Volumen auf ein
zweites Volumen reduziert und gleichzeitig die Druckänderung
gemessen. Auf Basis der Druckänderung im Verhältnis
zu der Volumenänderung wird mittels der Kompressibilität
der Farbe und der Kompressibilität der Luft der Volumenanteil
der Lufteinschlüsse anteilig zu dem Gesamtvolumen des Gemischs
errechnet.
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Die
Meßverfahren, die in einer von der Förderleitung
abgetrennten Messkammer durchgeführt werden, weisen den
Nachteil auf, dass zum Bestimmen des Volumenanteils des Gases aus
dem Gas-Fördergutgemisch für jede Stichprobenmes sung
eine bestimmte Menge des Gemischs entnommen werden muss und der
Volumenanteil des Gases lediglich in der Stichprobe gemessen werden
kann, dieser jedoch für das Gas-Fördergutgemisch
innerhalb der Förderleitung angenommen wird.
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Für
die Qualität der Messergebnisse ist es nachteilig, dass
Proben nur an den Randbereichen aus den Förderleitungen
abgeführt werden können und somit nicht unbedingt
den gleichen Volumenanteil an Gas wie das durch die Mitte der Leitung
strömende Gas-Fördergutgemisch aufweisen. Der
Volumenanteil an Gas variiert innerhalb der Leitung. Es ist zu erwarten,
dass an der Oberseite der Leitung ein höherer Volumenanteil
an Gas als an der Unterseite der Leitung vorhanden ist. So wird
der gemessene Volumenanteil an Gas in einem Gas-Fördergutgemisch
mit einer Stichprobe, die an der Oberseite der Leitung entnommen
wurde, von einer Stichprobe, die an der Unterseite der Leitung entnommen
wurde, abweichen. Es ist somit für den Volumenanteil an
Gas der Stichprobe u. a. entscheidend, in welcher Höhe der
Leitung der Ablass angebracht ist.
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Zudem
muss das für die Stichprobe vorgesehene Fördergut
in das Messvolumen eingeführt werden. Beim Ableiten der
Stichprobe aus der Leitung und beim Einfüllen in das Messvolumen ändert
sich der Volumenanteil an Gas des Gemisches und stellt somit eine
weitere Fehlerquelle für die Messung des Volumenanteils
an Gas dar. Daher ist es bei einer Stichprobenmessung nur schwer
möglich, eine hohe Genauigkeit zu erzielen.
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Das
Prinzip der Stichprobenmessung erfordert, dass eine Stichprobe dem
Gas-Fördergutstrom entnommen, diese Probe in eine Messzelle
eingefüllt und daraufhin geprüft wird. Vor einer
Messung muss die vorherige Probe aus der Messkammer entfernt und
die neue Messprobe in die Messkammer eingefüllt werden.
Dadurch können Stichprobenmessungen nur mit Zeitabständen
zwischen den Messungen erfolgen und es ist nicht möglich,
mit Stichprobenmessungen eine kontinuierliche Messung des Volumenanteils
an Gas in einem Gas-Fördergutgemisch durchzuführen.
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Es
ist jedoch wünschenswert, eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche
Messung des Volumenanteils an Gas insbesondere des kompletten Gemisches
innerhalb kurzer Zeitabschnitte in dem Gas-Fördergutgemisch
durchzuführen, bei der die oben genannten Ungenauigkeiten
vermieden werden.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, bei denen innerhalb einer Förderleitung der
Volumenanteil an Gas in einem Gas-Fördergutgemisch kontinuierlich beziehungsweise
quasi-kontinuierlich automatisch gemessen werden kann. Ferner ist
es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen,
die in der Lage sind, einen bestimmten Volumenanteil an Gas innerhalb
eines Gas-Fördergutgemischs einzustellen.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgaben werden durch ein Gasbeladungsmessgerät gemäß Anspruch
1, ein Gasbeladungsregulierungsgerät gemäß Anspruch
10, ein Verfahren gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren
gemäß Anspruch 27 gelöst. Weitere Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es
sind im Rahmen der Erfindung diverse Methoden anwendbar, um die
Gesamtkompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb eines Referenzraums, der in eine Leitung integriert ist,
zu bestimmen.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben,
die die Dichte des Gas-Fördergutgemischs verändern
und den sich daraufhin einstellenden Druck messen, um die Gesamt-Kompressibilität
des Gas-Fördergutgemischs zu bestimmen.
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Es
wird für die folgenden Ausführungsformen angenommen,
dass ein Gas wie z. B. Luft in einem Fördergut, das beispielsweise
pastös oder flüssig ist, in dem Fördergut
gelöst oder blasenförmig in dem Fördergut
verteilt ist.
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Um
einen Referenzraum innerhalb der Leitung zu bilden, werden in die
Leitung zwei Strömungsregulierer integriert, zwischen denen
ein Referenzraum in Längsrichtung der Leitung begrenzt wird.
Die Längsrichtung der Leitung entspricht der Richtung,
in die das Gas-Fördergutgemisch gefördert wird.
Dabei bildet ein erster Strömungsregulierer eine Eingangsbegrenzung
des Referenzraums und ein zweiter Strömungsregulierer,
der in Längsrichtung stromabwärts von dem ersten
Strömungsregulierer in der Leitung angeordnet ist, eine
Ausgangsbegrenzung des Referenzraums.
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Es
ist die Aufgabe der Strömungsregulierer, sicherzustellen,
dass ein bestimmtes Fördervolumen pro Zeit durch die Leitung
und insbesondere den Referenzraum gefördert wird. Dabei
ist es für die Erfindung unerheblich, ob die Strömungsregulierer
den Strom des Gas-Fördergutgemischs aktiv fördern bzw.
pumpen oder in Form strömungsbegrenzender Ventile lediglich
passiv, ohne das Gas-Fördergutgemisch zu pumpen, sicherstellen,
dass ein maximales Fördervolumen pro Zeit nicht überschritten
wird. In Ausführungsformen der Erfindung mit passiven Strömungsregulierern
muss durch geeignete Druckverhältnisse in den Leitungsabschnitten
vor und nach dem jeweiligen Strömungsregulierer sichergestellt sein,
dass ein minimales Fördervolumen pro Zeit nicht unterschritten
wird.
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Ein
aktiv fördernder Strömungsregulierer kann in Form
einer Pumpe ausgeführt sein. Dabei ist es Aufgabe der Pumpe,
dass der Referenzraum gegenüber dem stromaufwärts
oder stromabwärts des Referenzraums gelegenen Bereich der
Leitung abgedichtet ist, so dass bei Druckunterschieden zwischen dem
Referenzraum und den stromaufwärts und stromabwärts
des Referenzraums gelegenen Bereichen der Leitung das Gas-Fördergutgemisch
nicht oder zumindest nicht über das von dem jeweiligen Strömungsregulierer
vorgegebene Fördervolumen pro Zeit hinaus, gefördert
werden kann.
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Mittels
der Strömungsregulierer kann in dem Referenzraum die Kompressibilität
des Gas-Fördergutgemischs bestimmt werden, ohne dass das Gas-Fördergutgemisch
aus der Leitung abgeführt oder die Leitung blockiert werden
muss.
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Für
die Messung der Kompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
in der Leitung ist es vorteilhaft, wenn das Fördervolumen
pro Zeiteinheit mindestens eines Strömungsregulierers steuerbar
ist. Die Steuerung des Fördervolumens pro Zeiteinheit kann
beispielsweise bei einer Zahnradpumpe als Strömungsregulierer
durch die Steuerung, d. h. durch Erhöhen, Verkleinern oder
Konstanthalten der Drehzahl erfolgen.
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Dadurch
kann das Verhältnis des aus dem Referenzraum ein- bzw.
ausströmenden Fördervolumens pro Zeiteinheit des
Gas-Fördergutgemischs eingestellt werden.
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Bei
geeigneter Steuerung des Fördervolumens pro Zeiteinheit
mindestens eines des ersten und zweiten Strömungsregulierers,
ist es möglich, innerhalb des Referenzraums über
die Zeit gemittelt den Druck und/oder die Masse des Gas-Fördergutgemischs
konstant zu halten, wobei der Druck und/oder die Masse des Gas-Fördergutgemischs
insbesondere nur durch die Dichteänderungen, die in den
Messvorgängen zur Bestimmung der Kompressibilität
des Gas-Fördergutgemischs von dem Variator ausgeführt
werden, zeitweilig verändert werden.
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In
den Ausführungsformen der Erfindung, bei denen während
eines Messvorgangs innerhalb des Referenzraums die Masse des Gas-Fördergutgemischs
verändert wird, kann zur Aufrechterhaltung des Stroms des
Gas-Fördergutgemischs wenigstens ein Strömungsregulierer
entsprechend der gewünschten Massenveränderung
des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums in
dem Fördervolumen pro Zeiteinheit ausgehend von dem Fördervolumen
pro Zeiteinheit, das zum Aufrechthalten einer konstanten Masse und/oder
eines konstanten Drucks des Gas-Fördergutgemischs innerhalb
des Referenzraums erforderlich ist, entsprechend vergrößert
oder verkleinert werden.
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Die
Strömungsregulierer sind so in die Förderleitung
eingebaut, dass das gesamte durch die Leitung geförderte
Gas-Fördergutgemisch durch die Strömungsregulierer
und den Referenzraum gefördert wird und der Volumenanteil
des Gases in dem gesamten durch die Leitung strömenden
Gas-Fördergutgemisch gemessen werden kann.
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Innerhalb
des Referenzraums wird die Dichte des Gas-Fördergutgemischs
vergrößert beziehungsweise verkleinert und der
sich auf die Dichteänderung einstellende Ausgleichsdruck
in dem Referenzraum gemessen.
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Dafür
ist an den Referenzraum ein Variator angeschlossen, der die Vergrößerung
beziehungsweise die Verkleinerung der Dichte des Gas-Fördergutgemischs
ausführt. Es ist denkbar, dass die Vergrößerung
beziehungsweise die Verkleinerung der Dichte des Gas-Fördergutgemischs
durch einen Volumenvariator, der das Volumen des Referenzraums verändert,
erzielt wird sowie durch einen Massenvariator, der die Masse des
Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums verändert.
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Als
Folge der Verdichtung bzw. Entspannung des Gas-Fördergutgemischs
tritt innerhalb des Referenzraums eine Druckänderung auf,
die von einem an den Referenzraum angeschlossenen Drucksensor gemessen
wird.
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Eine
Recheneinheit berechnet auf Basis der Kompressibilität
des Gases und des Förderguts, des Volumens des Referenzraums,
der von dem Variator erzeugten Veränderung der Masse des
Gas-Fördergutgemischs und/oder der Veränderung
des Volumens des Referenzraums und der am Drucksensor gemessenen
Druckänderung den Volumenanteil des Gases innerhalb des
Gas-Fördergutgemischs automatisch.
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In
einem ersten Schritt errechnet die Recheneinheit die Gesamtkompressibilität
des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums.
Hierauf berechnet die Recheneinheit aus den Kompressibilitäten
des Gases und des Förderguts den Volumenanteil des Gases
in dem Gas-Fördergutgemisch innerhalb des Referenzraums.
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Für
die folgenden Ausführungsformen der Erfindung wird angenommen,
dass die Änderung der Dichte des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums bezogen auf die Ausgangsdichte des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums so klein ist, dass der Einfluss der
Temperaturänderung, die durch die Vergrößerung
bzw. Verkleinerung der Dichte des Gas-Fördergutgemischs entsteht,
vernachlässigbar ist.
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Es
sind jedoch auch Ausführungsformen der Erfindung vorstellbar,
bei denen die Temperaturänderungen innerhalb des Referenzraums
gemessen werden und von der Recheneinheit bei der Berechnung des
Volumenanteils des Gases innerhalb des Gas-Fördergutgemischs
berücksichtigt werden.
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Falls
die Verdichtung des Gas-Fördergutgemischs durch einen Volumenvariator
ausgeführt wird, ist es vorteilhaft, wenn das Fördervolumen
pro Zeiteinheit des ersten Strömungsregulierers im Wesentlichen
dem Fördervolumen pro Zeiteinheit des zweiten Strömungsregulierers
entspricht.
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Es
ist ferner denkbar, dass im Falle einer höheren beziehungsweise
niedrigeren Dichte des Gas-Fördergutgemischs innerhalb
des Referenzraums bezogen auf die Dichte des Gas-Fördergutgemischs
in den Leitungsabschnitten stromaufwärts und stromabwärts
des Referenzraums das Fördervolumen pro Zeiteinheit des
zweiten Strömungsregulierers relativ zu dem Fördervolumen
pro Zeiteinheit des ersten Strömungsregulierers größer
beziehungsweise kleiner ist. In der Regulierung der Fördervolumina pro
Zeiteinheit der Strömungsregulierer können somit
die Unterschiede in der Dichte des an dem ersten Strömungsregulierer
in den Referenzraum einströmenden und an dem zweiten Strömungsregulierer aus
dem Referenzraum ausströmenden Gas-Fördergutgemischs
berücksichtigt werden. Mit dieser Regulierung wird sichergestellt,
dass eine konstante Masse und/oder eine konstante Dichte des Gas-Fördergutgemischs
in dem Referenzraum einstellbar ist.
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Es
ist für eine Ausführungsform der Erfindung mit
Volumenvariator denkbar, dass die Strömungsregulierer so
ausgeführt sind, dass während der Messung kein
Gas-Fördergutgemisch durch den Referenzraum gefördert
wird und somit die Leitung an den Stellen der Strömungsregulierer
für den Zeitpunkt der Messung blockiert ist. Für
diesen Fall wäre es ausreichend, als Strömungsregulierer
Sperreinrichtungen, die in einen Zustand schaltbar sind in dem sie
den Strom durch die Leitung vollständig blockieren, zu
verwenden.
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Es
ist möglich, dass als Massenvariator die beiden Strömungsregulierer
verwendet werden. Dabei wird bei der Veränderung der Dichte
bzw. der Masse des Gas-Fördergutgemischs im Referenzraum,
das Fördervolumen pro Zeiteinheit des ersten Strömungsregulierers
relativ zu dem Fördervolumen pro Zeiteinheit des zweiten
Strömungsregulierers verändert, so dass die Dichte
bzw. die Masse des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des
Referenzraums verändert wird.
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Die Änderung
der Masse innerhalb des Referenzraums kann dadurch erfolgen, dass
das Fördervolumen pro Zeiteinheit des ersten Strömungsregulierers
vergrößert beziehungsweise verkleinert wird und
gleichzeitig das Fördervolumen pro Zeiteinheit des zweiten
Strömungsregulierers gleich bleibt, entsprechend umgekehrt
zu dem Fördervolumen pro Zeiteinheit des ersten Strömungsregulierers
verkleinert beziehungsweise vergrößert wird oder
im Verhältnis zu dem ersten Strömungsregulierer
weniger vergrößert beziehungsweise weniger verkleinert wird.
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Falls
in der Erfindung die Strömungsregulierer als Massenvariator
verwendet werden und die Strömungsregulierer durch deren
Bauart bedingte Schwankungen in dem Fördervolumen pro Zeiteinheit
aufweisen, ist es möglich, dass diese bestimmbaren Schwankungen
in den Fördervolumina pro Zeiteinheit der Strömungsregulierer
als Massenvariator verwendet werden. So könnte ein vermeintlicher Nachteil
in der Bauart der Strömungsregulierer in vorteilhafter
Weise ausgeräumt werden.
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Es
ist für beide Ausführungsformen der Erfindung
vorstellbar, dass die Messung des Gasvolumens in dem Gas-Fördergutgemisch
periodisch durchgeführt wird. Dafür ist es notwendig,
dass das Gas-Fördergutgemisch abwechselnd verdichtet und entspannt
wird, beziehungsweise die Masse des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums abwechselnd erhöht und verkleinert
wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass die Bestimmung des Volumenanteils
des Gases in dem Gas-Fördergutgemisch kontinuierlich oder
zumindest quasi-kontinuierlich mit kurzen Zeitabschnitten zwischen
den Messungen durchgeführt werden kann. Dabei ist bis auf
den Bereich an den Umkehrpunkten, an denen der Variator beispielsweise
von der Verdichtung zu der Entspannung des Gas-Fördergutgemischs übergeht,
eine kontinuierliche Verdichtung und Entspannung des Gas-Fördergutgemischs
erzeugbar.
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Ferner
ist es für eine kontinuierliche beziehungsweise quasi kontinuierliche
Bestimmung des Volumenanteils des Gases innerhalb des Gas-Fördergutgemischs
erforderlich, dass die an den Referenzraum angeschlossene Messeinheit,
insbesondere der Drucksensor kontinuierlich die auf die Verdichtung
beziehungsweise Entspannung entstehenden Druckänderungen
des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums misst.
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Dadurch
ist eine Möglichkeit geschaffen worden, den Gasanteil in
dem Gas-Fördergutgemisch während der Förderung
des Gas-Fördergutgemischs ohne oder mit lediglich geringer
Verzögerung zu bestimmen.
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Im
Folgenden wird ein Gasbeladungsregulierungsgerät zum Einstellen
eines bestimmten Volumenanteils an Gas in einem Gas-Fördergutgemisch beschrieben.
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Das
Gasbeladungsregulierungsgerät besteht im Wesentlichen aus
einem Aufbereitungskreis, an dem eine Zu- und Ableitung angeschlossen
ist. In einer Hauptlei tung sind ein Druckspeicher, ein Gasbelader,
ein Gasbeladungsmessgerät und ein Ventil eingebaut.
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Der
Druckspeicher dient im Wesentlichen zum Speichern des Gas-Fördergutgemischs,
in dem ein bestimmter Volumenanteil eines Gases eingestellt werden
soll, innerhalb des Regelungskreises. Das Gas-Fördergutgemisch
steht innerhalb des Druckspeichers vorzugsweise unter einem Druck, der
dem Betriebsdruck der in dem Aufbereitungskreis befindlichen Einrichtungen
entspricht. Von dem Druckspeicher wird das Gas-Fördergutgemisch
zu einem Gasbelader gefördert, in dem der Volumenanteil
des Gases in dem Gas-Fördergutgemisch einstellbar ist.
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Im
Normalfall wird im Gasbelader der Volumenanteil an Gas innerhalb
des Gas-Fördergutgemischs vergrößert.
Einrichtungen, bei denen der Gasanteil innerhalb des Gas-Fördergutgemischs
verringert werden kann, werden jedoch in der Beschreibung der Erfindung
ebenfalls als Gasbelader bezeichnet.
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Von
dem Gasbelader wird das Gas-Fördergutgemisch zu dem Gasbeladungsmessgerät
gefördert, in dem der Volumenanteil an Gas im Gas-Fördergutgemisch
gemessen wird. Nach dem Gasbeladungsmessgerät wird das
Gas-Fördergutgemisch zu einem schaltbaren Ventil geführt.
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Das
Ventil ist in mindestens zwei Stellungen schaltbar, wobei in einer
ersten Stellung das Gas-Fördergutgemisch in eine Rückführleitung
geleitet wird, die zurück in einen stromaufwärts
gelegenen Bereich der Hauptleitung führt, und in einer
zweiten Stellung das Gas-Fördergutgemisch zu einer Ableitung
geleitet wird, in der das Gas-Fördergutgemisch aus dem
Aufbereitungskreis heraus gefördert wird. Durch die Rückführleitung
wird das Gas-Fördergutgemisch in einen Bereich der Hauptleitung
zurück gefördert, der vor dem Gasbelader und insbesondere vor
dem Druckspeicher und Gasbeladungsmessgerät liegt. Dadurch
liegt in der ersten Stellung des schaltbaren Ventils, die das Gas-Fördergutgemisch in
die Rückführleitung führt, ein geschlossener
Aufbereitungskreis vor.
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Im
Ausgangszustand ist das Ventil vorzugsweise in die erste Stellung
geschaltet.
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Eine
Steuerung steuert das Gasbeladungsregulierungsgerät so,
dass der Volumenanteil an Gas an einen vorher definierten Sollwertebereich
für den Volumenanteil an Gas angenähert wird.
Dafür werden im Speziellen der Gasbelader und das Ventil
auf Basis des von dem Gasbeladungsmessgerät gemessenen
Volumenanteils an Gas angesteuert.
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Im
Falle von Abweichungen des gemessenen Volumenanteils an Gas in dem
Gas-Fördergutgemisch von dem Sollwertebereich, schaltet
die Steuerung das Ventil in die erste Stellung, in der das Gas-Fördergutgemisch
in die Rückführleitung gefördert wird.
Im Falle eines zu niedrigen Volumenanteils an Gas im Gas-Fördergutgemisch,
steuert die Steuerung den Gasbelader so, dass der Volumenanteil
an Gas im Gas-Fördergutgemisch erhöht, beziehungsweise
im Falle eines zu hohen Volumenanteils an Gas, der Volumenanteil
an Gas in dem Gas-Fördergutgemisch reduziert wird.
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Wenn
der gemessene Volumenanteil an Gas des Gas-Fördergutgemischs
bereits bei der ersten Messung innerhalb des Sollwertebereichs liegt,
wird das Ventil in die zweite Stellung geschaltet.
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Es
sind Ausführungsformen des Gasbeladungsregulierungsgeräts
denkbar, bei denen, nachdem in einer ersten Messung des Volumenanteils
an Gas in dem Gasbeladungsmessgerät ein Volumenanteil an
Gas außerhalb des Sollwertebereichs gemessen wurde und
vorzugsweise das gesamte Gas-Fördergutgemisch innerhalb
des Aufbereitungskreises zu dem Gasbelader geleitet wurde, das Ventil automatisch
in die zweite Stellung umgeschaltet wird.
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Ferner
sind Ausführungsformen des Gasbeladungsregulierungsgeräts
vorstellbar, bei denen, solange das Gasbeladungsmessgerät
einen Volumenanteil an Gas misst, der außerhalb des Sollwertebereichs
liegt, die Steuerung das Ventil in die erste Stellung schaltet.
Wenn der von dem Gasbeladungsmessgerät gemessene Volumenanteil
an Gas innerhalb des Sollwertbereichs liegt, wird das schaltbare Ventil
in die zweite Stellung geschaltet, so dass das Gas-Fördergutgemisch
in die Ableitung und aus dem Aufbereitungskreis herausgeführt
wird.
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Insbesondere
wird in dieser Ausführungsform der Schaltvorgang von der
ersten Stellung in die zweite Stellung des Ventils erst dann vorgenommen, wenn
für die gesamte Menge des Gas-Fördergutgemischs
in dem Aufbereitungskreis ein Volumenanteil an Gas innerhalb des
Sollwertebereichs gemessen wurde.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Anordnung des Druckspeichers,
stromaufwärts des Gasbeladers und stromaufwärts
des Gasbeladungsmessgeräts in der Hauptleitung beschränkt, sondern
umfasst auch alternative Anordnungen.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft
näher beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform
des Gasbeladungsmessgeräts,
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2:
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
des Gasbeladungsmessgeräts und
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3:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des
Gasbeladungsregulierungsgeräts.
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Im
Folgenden wird eine erste Ausführungsform der Erfindung
anhand von 1 beschrieben. In dieser Ausführungsform
wird ein Gas-Fördergutgemisch durch eine Veränderung
des Volumens des Referenzraums verdichtet und entspannt.
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Eine
Hauptleitung 6 wird von einem Gas-Fördergutgemisch
durchströmt, in dem ein Gas enthalten ist. Dabei ist das
Gas in dem Gas-Fördergutgemisch so gelöst, dass
ein im Wesentlichen homogener Strom durch die Leitung gefördert
wird. An zwei verschiedenen Stellen innerhalb der Leitung sind eine
erste Pumpe 2a und stromabwärts davon eine zweite
Pumpe 2b in die Leitung eingebaut.
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Die
beiden Pumpen 2a und 2b begrenzen innerhalb der
Leitung einen Referenzraum 3. Durch die Pumpen 2a, 2b wird
ein bestimmtes Volumen pro Zeiteinheit des Gas-Fördergutgemischs
in den Referenzraum 3 hinein und aus dem Referenzraum 3 heraus
gefördert. Der Druck des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums 3 kann dadurch variiert werden,
ohne dass das Gas-Fördergutgemisch in die dem Referenzraum 3 benachbarten Bereiche
der Leitung strömt.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel ist mit dem Referenzraum 3 ein
Volumenvariator 4a verbunden, der beispielsweise mittels
eines Kolbens oder eines Druckzylinders das Volumen des Referenzraums 3 und
somit des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums 3 kontinuierlich
periodisch vergrößert und verkleinert.
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Das
Fördervolumen pro Zeiteinheit der ersten und der zweiten
Pumpe 2a, 2b ist in diesem Ausführungsbeispiel
konstant. Daher laufen die Pumpe 2a, 2b, die in
dem Beispiel als Zahnradpumpen ausgeführt sind, mit einer
konstanten Drehzahl n1 beziehungsweise n2.
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In
dem in 1 gezeigten Gasbeladungsmessgerät 1 ist
innerhalb des Referenzraums 3 ein Drucksensor 5 angebracht,
der den Druckverlauf des Gas-Fördergutgemischs innerhalb
des Referenzraums 3 misst.
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Eine
Recheneinheit (nicht dargestellt) errechnet auf Basis des Volumens
des Referenzraums 3, der Volumenänderung innerhalb
des Referenzraums 3 und der Druckänderung des
Gas-Fördergutgemischs die Kompressibilität des
Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums 3.
In einem zweiten Schritt ermittelt die Recheneinheit den Volumenanteil
des Gases innerhalb des Gas-Fördergutgemischs aus den Kompressibilitäten
des Fördergutes und des Gases.
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Das
in der 2 dargestellte Gasbeladungsmessgerät
zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein Referenzraum 3 wird
durch eine erste Pumpe 2a und eine zweite Pumpe 2b in
der Hauptleitung 6 begrenzt.
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Zur
Bestimmung der Kompressibilität des Gas-Fördergutgemischs
wird die Masse des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des
Referenzraums 3 verändert. Dafür wird
das Fördervolumen pro Zeiteinheit der ersten Pumpe 2a relativ
zu dem Fördervolumen pro Zeiteinheit der zweiten Pumpe 2b vergrößert
beziehungsweise verkleinert. Die Veränderung des Fördervolumens
pro Zeiteinheit einer Pumpe wird in der dargestllten Ausführungsform durch
eine Veränderung der Drehzahl n1 der Pumpe 2a erzielt.
Dabei entspricht eine Vergrößerung der Drehzahl
n1 einer Vergrößerung des Fördervolumens
pro Zeiteinheit der ersten Pumpe 2a. Entsprechend umgekehrt
bewirkt eine Verkleinerung der Drehzahl n1 eine Verkleinerung des
Fördervolumens pro Zeiteinheit der ersten Pumpe 2a.
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Durch
das Einstellen eines größeren bzw. kleineren Fördervolumens
pro Zeiteinheit, wird durch den jeweiligen Strömungsregulierer
bzw. die jeweilige Pumpe 2a, 2b, unter der Voraussetzung
eines nichtabreißenden Stroms des Gas-Fördergutgemischs,
eine größere bzw. kleinere Menge, insbesondere
Masse, des Gas-Fördergutgemischs durch den jeweiligen Strömungsregulierer 2a, 2b gefördert.
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In
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Drehzahl
n2 und somit auch das Fördervolumen pro Zeiteinheit der
zweiten Pumpe 2b bzw. des zweiten Strömungsregulierers 2b konstant.
Die Änderungen in der Menge, insbesondere Masse, des Gas-Fördergutgemischs,
das bei konstanter Drehzahl n2 und konstantem Fördervolumen
pro Zeit des zweiten Strömungsregulierers 2b durch
den zweiten Strömungsregulierer 2b gefördert
wird, aufgrund der Änderungen der Dichte des Gas-Fördergutgemischs im
Referenzraum 3, werden in der gezeigten Ausführungsform
vernachlässigt.
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Es
sind jedoch Ausführungsformen der Erfindung denkbar, bei
denen in Abhängigkeit von der Dichte des Gas-Fördergutgemischs,
das sich in Strömungsrichtung unmittelbar vor den jeweiligen
Strömungsregulierern 2a, 2b befindet,
die Strömungsregulierer 2a, 2b so gesteuert
werden, dass Anpassungen der jeweiligen Drehzahl n1, n2 und damit
dem jeweiligen Fördervolumen pro Zeiteinheit vorgenommen
werden, um im Wesentlichen die gleiche Menge, insbesondere Masse,
des Gas-Fördergutgemischs durch die Strömungsregulierer 2a, 2b zu
fördern.
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Die
Drehzahl n1 ersten Pumpe 2a dieser Ausführungsform
variiert periodisch um eine mittlere Drehzahl. Die mittlere Drehzahl
entspricht in dieser Ausführungsform der Drehzahl, bei
der die Menge, insbesondere die Masse, des Gas-Fördergutgemischs,
die durch den ersten Strömungsregulierer 2a in
den Referenzraum strömt, der entspricht, die durch den
zweiten Strömungsregulierer 2b aus dem Referenzraum 3 herausströmt.
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Die
Drehzahl n1 wird zum Verändern der Dichte des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums 3 vergrößert
bzw. verkleinert. In dem gezeigten Beispiel wird die Drehzahl n1
so gesteuert, dass diese, insbesondere ähnlich wie eine
Sinuskurve, periodisch und insbesondere kontinuierlich, abwechselnd
größer und kleiner als die mittlere Drehzahl ist.
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Der
Drucksensor 5 misst den sich auf die Veränderung
der Masse des Gas-Fördergutgemischs innerhalb des Referenzraums 3 einstellenden Anstieg
bzw. Abfall des Druckes des Gas-Fördergutgemischs und gibt
den Wert der Druckänderung an eine Recheneinheit (nicht
dargestellt) aus.
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Auf
Basis der Druckänderung des Gas-Fördergutgemischs,
der Veränderung der Masse des Gas-Fördergutgemischs
innerhalb des Referenzraums und des Volumens des Referenzraums 3 errechnet
die Recheneinheit die Kompressibilität des Gas-Fördergutgemischs.
In einem zweiten Schritt berechnet die Recheneinheit aus der Kompressibilität
des Gases und der Kompressibilität des Fördergutes
den Volumenanteil an Gas.
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Im
Folgenden wird anhand von 3 die Verwendung
des erfindungsgemäßen Gasbeladungsmessgeräts
in einem Aufbereitungskreis 13 zum Einstellen eines vorbestimmten
Volumenanteils an Gas in einem Gas-Fördergutgemischstrom
beschrieben.
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In
dem gezeigten Aufbau weist der Aufbereitungskreis 13 eine
Zuleitung 12, einen Druckspeicher 11, einen Gasbelader 7,
ein Gasbeladungsmessgerät 1 und ein Ventil 8,
das zwischen einer Rückführleitung 9 und
einer Ableitung 10 schaltbar ist, auf.
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Über
die Zuleitung 12 wird in den Aufbereitungskreis 13 ein
flüssiges oder pastöses Fördergut, das
bereits mit einem bestimmten Gasvolumen angereichert sein kann,
zugeführt und in einem Druckspeicher 11 gesammelt.
Von dem Druckspeicher 11 wird das Gas-Fördergutgemisch
zu einem Gasbelader 7 gefördert, in dem der Volumenanteil
des Gases innerhalb des Gas-Fördergutgemischs verändert wird.
Von dem Gasbelader 7 wird das Gas-Fördergutgemisch
zu dem Gasbeladungsmessgerät 1 geleitet und der
Volumenanteil an Gas innerhalb des Gas-Fördergutgemischs
gemessen.
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Stromabwärts
des Gasbeladungsmessgeräts 1 ist das Ventil 8 in
die Leitung integriert, das in mindestens zwei Stellungen schaltbar
ist. In einer ersten Stellung ist das Ventil 8 so geschaltet,
dass das Gas-Fördergutgemisch in die Rückführleitung 9 geleitet
wird, um erneut zu dem Druckspeicher 11, dem Gasbelader 7 und
dem Gasbeladungsmessgerät 1 geleitet zu werden.
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In
der zweiten Stellung des Ventils 8 wird das Gas-Fördergutgemisch
in einer Ableitung 10 geleitet, die aus dem Aufbereitungskreis 13 herausführt.
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Eine
Steuerung (nicht dargestellt) steuert den Gasbelader 7 und
das Ventil 8, so dass das Ventil 8 erst dann in
die zweite Stellung geschaltet wird, wenn der in dem Gasbeladungsmessgerät
gemessene Volumenanteil an Gas in dem Gas-Fördergutgemisch
innerhalb eines vorbestimmten Sollwertebereichs liegt. Daher wird
das Ventil 8 so lange in die erste Stellung geschaltet
und somit das Gas-Fördergutgemisch so lange über
die Rückführung 9 zu dem Druckspeicher 11,
dem Gasbelader 7 und dem Gasbeladungsmessgerät 1 geleitet,
bis der von dem Gasbeladungsmessgerät 1 gemessene
Volumenanteil an Gas in dem Gas-Fördergutgemisch innerhalb
des Sollwertebereichs liegt.
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Zudem
steuert die Steuerung abhängig von der Differenz zwischen
dem gemessenen Volumenanteil an Gas von dem Sollwertebereichs die
Menge an Gas, die in dem Gasbelader 7 dem Gas-Fördergutgemisch
zu- oder abgeführt wird. Dadurch wird in jedem Durchlauf
des Gas-Fördergutgemischs der Volumenanteil an Gas in dem
Gas-Fördergutgemisch an den Sollwertebereich angenähert.
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- 1
- Gasbeladungsmessgerät
- 2
- Strömungsregulierer
- 2a
- erster
Strömungsregulierer
- 2b
- zweiter
Strömungsregulierer
- 3
- Referenzraum
- 4
- Variator
- 4a
- Volumenvariator
- 4b
- Druckvariator
- 5
- Drucksensor
- 6
- Hauptleitung,
Leitung
- 7
- Gasbelader
- 8
- Ventil
- 9
- Rückführleitung
- 10
- Ableitung
- 11
- Druckspeicher
- 12
- Zuleitung
- 13
- Aufbereitungskreis
- n1
- Drehzahl
der ersten Pumpe
- n2
- Drehzahl
der zweiten Pumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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