DE102008043327A1

DE102008043327A1 - Verfahren und thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe

Info

Publication number: DE102008043327A1
Application number: DE102008043327A
Authority: DE
Inventors: Michel Wagner
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-06
Also published as: US20110209526A1; WO2010049410A1; EP2342541A1; US8950273B2

Abstract

Verfahren und thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung mindestens einer, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, wobei das Messmedium n Komponenten aufweist, wobei gilt: n ist größer oder gleich zwei, wobei der jeweilige Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von m Komponenten des Messmediums gemessen wird, wobei gilt: m ist kleiner oder gleich n minus eins, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, wobei gilt: k gleich n minus m, so festgelegt werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung mindestens einer, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, wobei das Messmedium n Komponenten aufweist, wobei gilt: n ist größer oder gleich zwei, wobei der jeweilige Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von m Komponenten des Messmediums gemessen wird, wobei gilt: m ist kleiner oder gleich n minus eins, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, wobei gilt: k gleich n minus m, so festgelegt werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.
Die thermische Durchflussmessung beruht im Wesentlichen auf zwei Messprinzipien, die thermische Dispersion und das Messprinzip des thermischen Profils bzw. Temperaturanstiegs. Bei der thermischen Dispersion wird ein beheiztes Messelement der Strömung des Messmediums ausgesetzt. Die dadurch verursachte Abkühlungsrate ist ein Maß für die Fließgeschwindigkeit. Bei einer Messung mittels thermischen Profils bzw. Temperaturanstiegs wird in einem begrenzten Bereich der Strömung Wärme eingeleitet, wodurch sich lokal die Temperatur erhöht, woraus sich wiederum, zusammen mit der zugeführten Energie, der Massedurchfluss errechnen lässt. Dabei messen zwei Temperatursensoren die Temperaturen des Messmediums an verschiedenen Punkten, meist vor und nach der zugeführten Wärme. Es finden auch mehrere Heizelemente und Temperatursensoren Verwendung, um ein besseres Bild des thermischen Profils zu erhalten.
Bei beiden Messmethoden können die Sensoren in der Hauptleitung oder in einem Bypass angebracht sein. Die beiden Funktionsprinzipien überlappen sich in der Praxis erheblich.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte für industrielle Prozesse verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren, die in, meist stiftförmigen, Metallhülsen, sog. Stingers, angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Dabei sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Temperatursensoren können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein so genannter aktiver Temperatursensor, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device) Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Neuerdings finden auch Dünnfilm-Widerstandselemente so genannte Thin Film Resistance Temperature Devices (TFRTD) Verwendeung. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen passiven Temperatursensor: Er misst die Temperatur des Mediums.
Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als der beheizte Temperatursensor, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung.
Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung ,t-switch',,t-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
Thermische Durchflussmessgeräte eignen sich besonders zur Durchflussmessung von Gasen oder Gasgemischen.
Herkömmlicherweise muss die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums bekannt sein und im Messgerät konfiguriert werden. Dem Messgerät werden somit der Stoffmengen-, Volumen- oder Massenanteil jeder einzelnen Komponente des Messmediums oder diese repräsentierende Parameter mitgeteilt. Dabei können Gasgemische mit mehreren Komponenten gemessen werden. Bei Anwendungen mit variabler Zusammensetzung des Fluids entstehen Messfehler, weil das Gerät mit anderen Fluideigenschaften rechnet, als tatsächlich zum Messzeitpunkt im Messrohr vorliegen.
Wie dem Fachmann bekannt ist, sind Durchflussmessungen mit thermischen Massedurchflussmessgeräten im Allgemeinen vom fluiden Messmedium abhängig. Ändert sich die chemische Zusammensetzung des Messmediums und damit die Wärmeübertragungsfunktion des Messmediums auf das Messgerät, muss das Messgerät auf diese Änderung der chemischen Zusammensetzung des Messmediums eingestellt werden, d. h. spezifische Parameter müssen angepasst werden, um weiterhin den korrekten Durchfluss durch das Messrohr zu messen.
Daher wird entweder die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums mit einem Gasanalyseverfahren quasi kontinuierlich oder diskret mit einer relativ hohen Messfrequenz bestimmt, was sehr aufwendig und kostspielig ist, oder aber die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums wird geschätzt und ein Messfehler des thermischen Durchflussmessgeräts in Kauf genommen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereit zu stellen, mit welchem die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums kostengünstig festlegbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, wobei das Messmedium n Komponenten aufweist, wobei gilt: n ist größer oder gleich zwei, wobei der jeweilige Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von m Komponenten des Messmediums gemessen wird, wobei gilt: m ist kleiner oder gleich n minus eins, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, wobei gilt: k gleich n minus m, so festgelegt werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.
Die zu bestimmende Größe wird in Abhängigkeit der teilweise durch Messung ermittelten und teilweise festgelegten quantitativen chemischen Zusammensetzung des Messmediums bestimmt. Das Messmedium kann dabei sowohl in flüssiger, als auch in gasförmiger Form vorliegen oder Feststoffbeladen sein.
Da gilt: m < n, wird mindestens ein Fluidparameter, welcher einen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer bestimmten Komponente des Fluids widerspiegelt, weniger gemessen als das Fluid Komponenten aufweist bzw. es werden die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von Komponenten des Fluids durch direkte oder indirekte Messung ermittelt, wobei der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von mindestens einer Komponente nicht ermittelt wird.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung werden die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von mindestens zwei Komponenten des Messmediums nicht durch direkte oder indirekte Messung ermittelt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird lediglich der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer Komponente des Messmediums gemessen bzw. durch direkte oder indirekte Messung ermittelt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, mittels einer Funktion f festgelegt, welche Funktion f von der qualitativen chemischen Zusammensetzung des Messmediums und/oder von den Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen der gemessenen m Komponenten abhängig ist. Die qualitative chemische Zusammensetzung zeigt dabei die im Messmedium vorliegenden Komponenten auf, jedoch nicht deren Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile. Eine quantitative Beschreibung liefert dann die genauen Daten zu den einzelnen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen der Komponenten.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung nehmen q Komponenten, wobei gilt q gleich k minus p, wobei p kleiner oder gleich k minus eins ist, jeweils einen vorgebbaren festen Wert ein. Dies gilt natürlich nur für k größer oder gleich zwei, wobei dann p größer oder gleich eins ist. Die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der p Komponenten werden entsprechend einer Vorschrift bzw. entsprechend der Funktion f verändert, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der q Komponenten einen festen Wert zugewiesen bekommen. Verändert sich der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer der gemessenen m Komponenten, werden also nur die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der p Komponenten verändert, während die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der q Komponenten unverändert bleiben.
Dabei werden wiederum die p Komponenten gemäß der abschätzbaren Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenverteilung der einzelnen Komponenten im Messmedium so festgelegt, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die q Komponenten, wobei gilt q gleich k minus p, wobei p kleiner oder gleich k minus eins ist, mit den abschätzbar geringsten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen jeweils einen vorgebbaren festen Wert einnehmen. Es existieren Messmedien mit mehreren Komponenten, wo einige wenige Komponenten jeweils einen relativ hohen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil am gesamten Messmedium besitzen. Die anderen Komponenten haben dagegen nur einen geringen und dazu meist stationären bzw. zeitlich konstanten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil. Verändert sich das Messmedium verändern sich also meist nur die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der Komponenten mit den höchsten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen. Diese müssen dann auch gemessen werden bzw. falls sie nicht gemessen werden, zumindest so angepasst werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt, wobei die stationären bzw. zeitlich konstanten Komponenten jeweils auf einen vorgegebenen, festen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil festgelegt werden. Welche Komponenten einen festen Wert zugewiesen bekommen und welchen, wird vorher abgeschätzt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass p gleich 1 ist. Dies soll mittels eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Typischerweise variieren bei einem Biogas der CH₄ Anteil und der CO₂ Anteil, wobei der H₂S-Anteil als relativ konstant angesehen werden kann. Erfindungsgemäß werden nun eine oder mehrere Komponenten gemessen, hier wird beispielsweise der CH₄ Anteil bestimmt. Weiter wird exakt eine nicht gemessene Komponente so festgelegt, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile aller Komponenten eins beträgt, wobei die anderen nicht gemessenen Komponenten entsprechend ihres geschätzten Anteils im Messmedium festgelegt werden. Da der H₂S-Anteil als konstant angenommen wird, wird genau dessen Anteil im Messmedium geschätzt und entsprechend der Schätzung festgelegt. Der CO₂-Anteil wird hingegen so verändert, dass die Summe der drei Anteile wieder eins ergibt.
In diesem Beispiel werden also mindestens zwei Komponenten weniger durch eine direkte oder indirekte Messung in ihrer Quantität erfasst, als das Fluid Bestandteile aufweist. Der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von exakt einer ersten Komponente wird bestimmt und exakt eine zweite Komponente so verändert, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile aller Komponenten eins beträgt, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der anderen Komponenten des Messmediums konstant gehalten bzw. festgelegt werden.
Weitere Ausführungsbeispiele sind denkbar, wo mindestens zwei Komponenten gemessen und/oder ungemessene Komponenten verändert werden, welche beispielsweise die höchsten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der nicht gemessenen Komponenten im Messmedium einnehmen.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer ersten Komponente des Messmediums bestimmt wird und der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer zweiten Komponente des Messmediums so festgelegt wird, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile aller Komponenten des Messmediums eins beträgt, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der anderen Komponenten des Messmediums auf einen für das Messmedium charakteristischen Wert festgelegt werden.
Liegt beispielsweise ein Gasgemisch mit mehreren Komponenten als zu messendes Fluid vor und wird ein Gasanalysator eingesetzt, um die quantitative chemische Zusammensetzung des Gasgemischs zu bestimmen, welcher Gasanalysator lediglich die Stoffmenge einer Komponente des Messmediums bestimmen kann, wobei die Summe aller Stoffmengen des Gasgemischs aus n Komponenten bekannt ist, so kann der Stoffmengenanteil der gemessenen ersten Komponente des Messmediums errechnet werden. Dieser beträgt y = 0...100 Mol-%. Die Summe der ersten und der zweiten Komponente des Gasgemischs ergibt sich somit zu
Der gemessene Stoffmengenanteil der ersten Komponente entspricht
Daraus ergibt sich der Stoffmengenanteil in Mol-% der zweiten Komponente des Messmediums zu
Wird z. B. Biogas mit einem festen H₂S-Anteil von 2 Mol-% verwendet und der CH₄ Anteil gemessen, errechnet sich also der CO₂ Anteil wie folgt:
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums mittels eines ersten Messgeräts gemessen werden und einem zweiten Messgerät zur Bestimmung der mindestens einen, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums dem zweiten Messgerät über eine Schnittstelle zwischen ersten und zweitem Messgerät zur Verfügung gestellt. Die Daten über die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der gemessenen m Komponenten können dabei via eine dafür bereitgestellte Datenschnittstelle, einen BUS, wie z. B. das Hart-Protokoll, Profibus oder einen Bus der Foundation-Fieldbus, oder aber über einen Stromeingang, wie z. B. eine übliche 4–20 mA-Schnittstelle in das zweite Messgerät übertragen werden. Die Daten sind damit automatisch ermittelbar und online übertragbar. Werden mehrere Parameter übertragen, z. B. die Die Daten über die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von mehreren Komponenten, eignet sich besonders die Übertragung per BUS.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zu bestimmende, mindestens eine, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr. Es handelt sich dann also um ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, wobei die chemische Zusammensetzung des Messmediums zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses des Messmediums durch das Messrohr herangezogen wird.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird der Durchfluss mit einem thermischen Massedurchflussmessgerät bestimmt.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums bestimmt werden, welche das Wärmeübergangsverhalten des Messmediums auf das thermische Massedurchflussmessgerät im Wesentlichen bestimmen. So sind beispielsweise mindestens 50% des Wärmeübergangsverhaltens, insbesondere mindestens 60%, insbesondere mindestens 70%, insbesondere mindestens 80% oder mindestens 90% durch die m Komponenten des Messmediums bestimmt, von welchen die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile gemessen oder so verändert werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile aller Komponenten des Messmediums eins ergibt, wobei alle anderen Komponenten einen auf einen vorgegebenen, festen Wert festgelegt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der zwei Komponenten im Messmedium gemessen und/oder verändert werden, welche die größten Einflüsse auf den Wärmeleit- und/oder Wärmeübergangskoeffizienten des Messmediums auf das thermische Massedurchflussmessgerät haben. Das Verhältnis aus Masse und Wärmeleitfähigkeit spielt bei der thermischen Durchflussmessung eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Ein thermisches Massedurchflussmesssystem ist in der Regel abhängig von der thermischen Leitfähigkeit K und der spezifischen Wärmekapazität bzw. den spezifischen Wärmekapazitäten des Messmediums bei konstantem Druck c_p. Andere Messsysteme sind alternativ oder zusätzlich abhängig von der spezifischen Wärmekapazität respektive den spezifischen Wärmekapazitäten des Messmediums bei konstantem Volumen c_V und/oder dem bzw. den Wärmeübergangskoeffizienten h, wobei gilt c_p = c_V·R_s, mit R_s = R/M, mit der allgemeine Gaskonstante R und der Molmasse M.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass es sich bei dem Messmedium um ein Biogas handelt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass es sich bei dem Messmedium um Biogas mit den Komponenten CH₄, CO₂ und H₂ S handelt, wobei der Stoffmengenanteil von CH₄ gemessen und dem Verfahren bereitgestellt wird, der Stoffmengenanteil von H₂S auf 0,02 festgelegt wird und der Stoffmengenanteil von CO₂ so festgelegt wird, dass die Summe der drei Stoffmengenanteile 1 ist.
Weiter wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein thermisches Massedurchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, mit zwei Temperatursensoren und einer Regel-/Auswerteeinheit, wobei die beiden Temperatursensoren in einem dem Messmedium zugewandten Bereich eines Gehäuses angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch das Messrohr strömende Messmedium sind, wobei ein erster Temperatursensor beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor Information über die aktuelle Temperatur des Messmediums bereitstellt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Temperatursensoren und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor zugeführten Heizleistung (Q) den Massedurchfluss des Messmediums bestimmt, wobei das thermische Massedurchflussmessgerät so ausgestaltet ist, dass die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums automatisch im thermischen Massedurchflussmessgerät bestimmbar ist, wobei die jeweiligen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums, welches Messmedium insgesamt n Komponenten umfasst, wobei m kleiner n ist, dem thermischen Massedurchflussmessgerät bekannt sind, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht bekannt sind, wobei gilt: k gleich n minus m, so festlegbar sind, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt. Dem thermischen Massedurchflussmessgerät sind also die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums mitteilbar, d. h. in das thermische Massedurchflussmessgerät eingebbar oder die Werte der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums sind vom thermischen Massedurchflussmessgerät selbst messtechnisch, also über eine direkte oder indirekte Messung ermittelbar, so dass die relevanten Daten über die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums dem thermischen Massedurchflussmessgerät vorliegen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das thermische Massedurchflussmessgerät eine Schnittstelle auf, über welche Schnittstelle die von einem ersten Messgerät ermittelten Werte für die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums mit insgesamt n Komponenten von dem thermischen Massedurchflussmessgerät einlesbar sind und die Werte für die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von den m Komponenten des Messmediums in der Regel-/Auswerteeinheit verarbeitbar sind.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 zeigt ein Stoffmengenverteilungsdiagramm von Biogas,
3 zeigt ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät.
In 1 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums mit insgesamt m Komponenten werden messtechnisch ermittelt. Die Werte von q Komponenten sind schon im Vorfeld der Messung festgelegt. Alternativ sind sie abhängig von den ermittelten Daten von den m Komponenten. Die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der übrigen p Komponenten des Messmediums werden über eine Funktion f bestimmt, welche Funktion f ihrerseits abhängig ist von der qualitativen chemischen Zusammensetzung des Messmediums, den ermittelten Werten der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten und den festgelegten Werten der der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der q Komponenten. Alle n Komponenten des Messmediums sind dabei Elemente der Menge N. Gleichsam sind die m gemessenen Komponenten Teil der Menge M, die q Komponenten entsprechend Elemente der Menge Q und alle p Komponenten sind Teil der Menge P.
2 offenbart ein Balkendiagramm mit den Stoffmengenanteilen der Komponenten CH₄, CO₂ und H₂S von Biogas. Bei Biogas variieren meist der CH₄-Anteil und der CO₂ Anteil stark. Der H₂S-Anteil ist dagegen recht stabil. Der CH_F Anteil, hier in Mol-%, wird in diesem Beispiel mit einem Gasanalysator gemessen. Anschließend wird er zu einem thermischen Massedurchflussmessgerät übertragen. Alternativ kann der Gasanalysator auch Bestandteil des Durchflussmessgeräts sein. Sinkt nun der gemessene CH₄ Anteil, wie hier mit dem Pfeil illustriert, wird der CO₂ Anteil entsprechend angepasst, d. h. er wird bei festgelegtem H₂S-Anteil so angehoben, dass die Summe der Anteile der drei Komponenten des Gasgemischs wieder 100% betragen. Die Berechnungsvorschrift für diesen Fall ergibt sich wie folgt:
Die Summe der drei Stoffmengenanteile des Biogases ergibt eins bzw.
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts 1 mit thermischem Durchflusssensor 6 und Messumformer 7. Das Durchflussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet, befestigt. In der Rohrleitung 2 befindet sich das strömende Medium 3. Alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 mit integriertem Messrohr als Inline-Messgerät auszubilden.
Die Temperaturmesseinrichtung, die wesentlicher Teil des Sensors 6 ist, befindet sich im Bereich des Gehäuses 5, der dem Medium 3 zugewandt ist. Die Ansteuerung der Temperatursensoren 11, 12 und/oder die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale erfolgt über die Regel-/Auswerteeinheit 10, die im gezeigten Fall im Messumformer 7 angeordnet ist. Über die Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten, in der 3 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle und/oder einem nicht dargestellten ersten Messgerät, welches beispielsweise die Daten der ermittelten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums zur Verfügung stellt. Die Regel-/Auswerteeinheit 10 verfügt dabei über eine nicht dargestellte Schnittstelle, über welche die Daten der ermittelten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums eingelesen und anschließend in der Regel-/Auswerteeinheit 10 verarbeitet werden.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei zumindest einem der beiden Temperatursensoren 11, 12 um ein elektrisch beheizbares Widerstandselement, um einen so genannten RTD-Sensor oder TFRTD-Sensor, handeln. Selbstverständlich kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher Temperatursensor, z. B. ein Pt100 oder Pt1000 oder ein Thermoelement eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 13 zugeordnet ist. Die Heizeinheit 13 ist in der 3 im Gehäuse 5 angeordnet und thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt, aber von dem Medium weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw. die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden Zwischenräume mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.
Mit dem Durchflussmessgerät 1 ist es möglich, den Massedurchfluss kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das Durchflussmessgerät 1 als Schalter zu verwenden, der immer dann die Änderung eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert Unter- oder überschritten wird.
Vorteilhafter Weise ist darüber hinaus vorgesehen, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von der Regel/Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regel-/Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert und den Durchflussmesswert über eine Mittelung der von beiden Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messwerte bestimmt.

1: Thermisches Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: Messmedium
4: Stutzen
5: Gehäuse
6: Sensor
7: Umformer
8: Verbindungsleitung
9: Gewinde
10: Regel-/Auswerteeinheit
11: Erster Temperatursensor
12: Zweiter Temperatursensor
13: Heizeinheit

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, wobei das Messmedium n Komponenten aufweist, wobei gilt: n ist größer oder gleich zwei, wobei der jeweilige Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil von m Komponenten des Messmediums gemessen wird, wobei gilt: m ist kleiner oder gleich n minus eins, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, wobei gilt: k gleich n minus m, so festgelegt werden, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht gemessen werden, mittels einer Funktion f festgelegt werden, welche Funktion f von der qualitativen chemischen Zusammensetzung des Messmediums und/oder von den Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen der gemessenen m Komponenten abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass q Komponenten, wobei gilt q gleich k minus p, wobei p kleiner oder gleich k minus eins ist, jeweils einen vorgebbaren festen Wert einnehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die q Komponenten, wobei gilt q gleich k minus p, wobei p kleiner oder gleich k minus eins ist, mit den abschätzbar geringsten Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteilen jeweils einen vorgebbaren festen Wert einnehmen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass p gleich 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer ersten Komponente des Messmediums bestimmt wird und der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteil einer zweiten Komponente des Messmediums so festgelegt wird, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile aller Komponenten des Messmediums eins beträgt, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der anderen Komponenten des Messmediums auf einen für das Messmedium charakteristischen Wert festgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums mittels eines ersten Messgeräts gemessen werden und einem zweiten Messgerät zur Bestimmung der mindestens einen, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe, zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums dem zweiten Messgerät über eine Schnittstelle zwischen ersten und zweitem Messgerät zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmende, mindestens eine, zumindest von der chemischen Zusammensetzung eines Messmediums abhängigen Größe der Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss mit einem thermischen Massedurchflussmessgerät bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der m Komponenten des Messmediums bestimmt werden, welche das Wärmeübergangsverhalten des Messmediums auf das thermische Massedurchflussmessgerät im Wesentlichen bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmedium um ein Biogas handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messmedium um Biogas mit den Komponenten CH₄, CO₂ und H₂S handelt, wobei der Stoffmengenanteil von CH₄ gemessen und dem Verfahren bereitgestellt wird, der Stoffmengenanteil von H₂S auf 0,02 festgelegt wird und der Stoffmengenanteil von CO₂ so festgelegt wird, dass die Summe der drei Stoffmengenanteile 1 ist.
Thermisches Massedurchflussmessgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (3) durch ein Messrohr (2), mit zwei Temperatursensoren (11, 12) und einer Regel-/Auswerteeinheit (10), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in einem dem Messmedium (3) zugewandten Bereich eines Gehäuses angeordnet und in thermischem Kontakt mit dem durch das Messrohr (2) strömende Messmedium (3) sind, wobei ein erster Temperatursensor (11) beheizbar ausgestaltet ist, wobei ein zweiter Temperatursensor (12) Information über die aktuelle Temperatur des Messmediums (3) bereitstellt, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden Temperatursensoren (11, 12) und/oder anhand der dem ersten Temperatursensor (11) zugeführten Heizleistung (Q) den Massedurchfluss des Messmediums (3) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisches Massedurchflussmessgerät (1) so ausgestaltet ist, dass die quantitative chemische Zusammensetzung des Messmediums (3) automatisch im thermischen Massedurchflussmessgerät (1) bestimmbar ist, wobei die jeweiligen Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums, welches Messmedium insgesamt n Komponenten umfasst, wobei m kleiner n ist, dem thermischen Massedurchflussmessgerät (1) bekannt sind, wobei die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der k Komponenten des Messmediums, welche nicht bekannt sind, wobei gilt: k gleich n minus m, so festlegbar sind, dass die Summe der Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile der n Komponenten eins beträgt.
Thermisches Massedurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem ersten Messgerät ermittelten Werte für die Stoffmengen-, Volumen- und/oder Massenanteile von m Komponenten des Messmediums mit insgesamt n Komponenten von dem thermischen Massedurchflussmessgerät (1) über eine Schnittstelle einlesbar und in der Regel-/Auswerteeinheit (10) verarbeitbar sind.