DE102013213431B3

DE102013213431B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Füllvolumens an Anlagen mit Doppelmembran-Tragluftdächern

Info

Publication number: DE102013213431B3
Application number: DE201310213431
Authority: DE
Inventors: Fred Harnisch; Karlheinz Walther; Hubert Roßbach; Lars Riedel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Volumenmessung eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Biogas in einem Doppelfolienspeicher, bei dem sich zwischen einer unteren Membran (1) und eine oberen Membran (2) komprimierte Luft befindet, wobei auf der unteren Membran (1) als Überlaufgefäße ausgebildete Messeinheiten (4 bis 8) angebracht sind, die über Zulaufschläuche (11) und Absaugschläuche (12) mit einem oder mehreren Druckmessern (10) und einem oder mehreren Auffangbehältern (13) verbunden sind, und sich auf einem definierten Höhenniveau mindestens eine Referenzmesseinheit (3) befindet, wobei die Messeinheiten (4 bis 8) und die Referenzmesseinheit (3) aus zwei durch eine Öffnung miteinander verbundenen Kammern bestehen, an denen jeweils ein Zulaufschlauch (11) und ein Absaugschlauch (12) angeschlossen sind und eine Kammer eine Absaugöffnung (15) aufweist, wobei die Messeinheiten (4 bis 8) und die Referenzmesseinheit (3) über Zulaufschläuche (11) und Absaugschläuche (12) mit einem Druckmesser (10) und einem Auffangbehälter (13) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Füllvolumens an Anlagen mit Doppelmembran-Tragluftdächern. Die Erfindung ist besonders zur Verwendung bei Biogasanlagen geeignet.
Bei Doppelmembran-Tragluftdächern wird zwischen zwei Membranen Luft mit einem Druck von üblicherweise 2 bis 15 mbar gepresst, so dass sich ein relativ stabiles Dach ausbildet. Als Membranen werden im Allgemeinen Kunststofffolien verwendet.
Zur Überwachung des Füllvolumens sind verschiedene Methoden bekannt.
Eine übliche Methode besteht darin, Seillängenmesssysteme einzusetzen. Das Seillängenmesssystem basiert auf der sich ändernden Form der unteren Gasmembran in Abhängigkeit vom aktuellen Füllvolumen. Dazu werden Seile oder Bänder über den Gasspeicher geführt und ein Ende des Seils fest am Grund des Speichers fixiert. Das andere Ende des Seils wird hingegen frei beweglich ausgeführt, wobei eine am Seilende wirkende, konstante Kraft das Sensorseil permanent auf Spannung hält. Steigt das Füllvolumen im Gasspeicher, so bläht sich die Gasmembran auf und in dessen Folge ändert sich auch die Länge des darüber gespannten Seils. Diese Längenänderung wird messtechnisch erfasst und daraus das Füllvolumen des Gasspeichers abgeleitet. Dies setzt allerdings voraus, dass sich die Gasmembran immer in der gleichen Art und Weise aufbläht und zusammenfaltet, was in der Praxis aber nicht der Fall ist. Ein Rückschluss auf die exakte Form und damit das exakte Füllvolumen kann mit dieser Methode daher nicht gewährleistet werden.
Auch durch eine Druckmessung im Inneren des Speichers ist eine genaue Volumenbestimmung nicht möglich, da der Innendruck vom Aufbau, dem Gewicht der Membran, vom Druck zwischen den Membranen, dem Wind und anderen Faktoren abhängt.
Eine Höhenbestimmung durch Ultraschall oder Lasertriangulation ist wegen der unregelmäßigen Form der unteren Membran unsicher (z. B. Reflexion) und relativ teuer. Außerdem sollten bei Biogasanlagen stromführende Leitungen und Baugruppen wegen der Explosionsgefahr vermieden werden.
Aus DE 20 2007 003 716 U1 ist ferner ein Messverfahren für Speicher mit nur einer Membran bekannt, bei dem der hydrostatische Druck einer Flüssigkeitssäule zur Höhenbestimmung genutzt wird. Diese Messeinrichtung verwendet einen Schlauch, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Am oberen Ende befindet sich ein Ausgleichsbehälter für die Flüssigkeit und am unteren Ende ein Druckaufnehmer. Die Membranhöhe wird dabei nur an der höchsten Stelle bestimmt. Da die Membran in Abhängigkeit vom Füllungsgrad jedoch eine unregelmäßige Form annimmt, ist ein Rückschluss auf das genaue Volumen hiermit nicht möglich. Vielmehr müsste an mehreren Messpunkten gemessen werden, wobei der Verbindungsschlauch zwischen dem oben genannten Ausgleichsgefäß und dem Druckmesser nicht stetig ansteigt, sondern teilweise höher liegt als das Gefäß. Wird der Ausgleichsbehälter wie dort beschrieben als Kunststoffsack ausgebildet, in dem die Flüssigkeit nie erneuert wird, besteht die Gefahr, dass in dem System durch physikalische, biologische und chemische Prozesse, wie Bildung von Gasblasen durch Temperaturwechsel oder Algenbildung, die Messung stark verfälscht wird.
Weiterhin ist in DE 10 2011 051 135 A1 eine Biogasanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Biogasanlage beschrieben. Die Biogasanlage verfügt über einen Fermenter und zwei Speicherbehälter, die als Haupt- und Nebengasspeicher ausgebildet sind, wobei der Nebengasspeicher als Doppelmembranspeicher ausgebildet ist. Mittels einer Steuereinrichtung und einem Füllstandssensor kann der Füllstand des Nebengasspeichers geregelt werden.
Die Veröffentlichung HÄRING, G. /Hochschule Ingolstadt: Biostrom: Steuerbare Stromerzeugung aus Biogasanlagen-Zwischenergebnisse, 20.06.2013, beinhaltet Ausführungen zur steuerbaren Stromerzeugung aus Biogasanlagen. Dabei werden als Methoden zur Füllstandsüberwachung in Tragluftsystemen genannt: berührungslose Systeme (Schall), Seilzug und Schlauchwaage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangsgenannten Art anzugeben, mit denen das Füllvolumen der Doppelmembran auch bei unregelmäßig geformter Oberfläche der unteren Membran mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Auf der unteren Membran sind als Überlaufgefäße ausgebildete Messeinheiten angebracht, die über Zulauf- und Absaugschläuche mit einem oder mehreren Druckmessgeräten und Auffanggefäßen verbunden sind. Auf einem definierten Höhenniveau befindet sich mindestens eine Referenzmesseinheit, wobei die Messeinheiten und die Referenzmesseinheit aus zwei durch eine Öffnung miteinander verbundenen Kammern bestehen, an denen jeweils ein Zulaufschlauch und ein Absaugschlauch angeschlossen sind und eine Kammer eine Absaugöffnung aufweist, wobei die Messeinheiten und die Referenzmesseinheit über Zulaufschläuche und Absaugschläuche mit einem Druckmesser und einem Auffangbehälter verbunden sind.
Um eine genaue Volumenbestimmung zu ermöglichen, muss eine Höhenbestimmung an mehreren, nach mathematischen Gesichtspunkten ausgewählten Punkten auf der Oberfläche der unteren Folie durchgeführt werden. Die Oberfläche der Membran kann dann z. B. durch eine mathematische Funktion approximiert und das Volumenintegral berechnet werden. Dazu müssen auf der Oberfläche der unteren Membran ausreichend viele Messeinheiten, d. h. kleine Überlaufgefäße, angebracht werden, die über Zulauf- und Absaugschläuche mit einem Druckmesser und einem Auffangbehälter verbunden sind. Die Messeinheiten sind so gestaltet, dass der äußere Druck ungehindert auf die Flüssigkeitssäule wirken kann, und dass die über den Zulaufschlauch einströmende Flüssigkeit durch eine geeignete Absaugung sofort abgesaugt wird, sodass die Flüssigkeitssäule, bestehend aus Zulaufschlauch und Überlaufgefäß bei der Messung immer definiert bis zum Niveau der Absaugöffnung gefüllt ist. Dies ist der Fall, wenn zu Beginn der Messung eine ausreichende Menge Flüssigkeit in das Gefäß gepumpt wird, wodurch die Bildung von Gasblasen mit Sicherheit verhindert wird. Eine genaue Höhenbestimmung ist auch dann gewährleistet, wenn die Lage der Überlaufgefäße wegen der unregelmäßigen Form der Membranoberfläche bis fast 90° von der horizontalen Lage abweicht und die beiden Schläuche teilweise höher liegen als das Gefäß.
Als Flüssigkeit wird Wasser mit einem geeignetem Frostschutz oder eine andere geeignete Flüssigkeit mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet.
Bei Atmosphärendruck gilt folgender Zusammenhang zwischen dem gemessenen Druck am Druckmesser und der Höhendifferenz zwischen den Messpunkten (Überlaufgefäße) und dem Niveau des Druckmessers: P = γ.ΔH mit

P:: Druck
ΔH:: Höhendifferenz
γ:: Dichte (temperaturabhängig)

Der Überdruck zwischen den beiden Folien täuscht aber eine höhere Flüssigkeitssäule und damit eine größere Höhendifferenz vor. Deshalb wird mit dem Messverfahren dieser Überdruck eliminiert. Hierzu wird ein Messpunkt auf einer genau bekannten Höhe (H_ref) angebracht. Dabei muss auf diesem Messpunkt, d. h. diesem Überlaufgefäß, der gleiche Überdruck wirken wie auf die übrigen Messpunkte. Der Zulaufschlauch, der zu diesem Messpunkt führt, wird mit seinem unteren Ende an einen Eingang eines Differenzdruckmessers angeschlossen. An dem anderen Eingang des Differenzdruckmessers werden dann nacheinander über Umschaltventile die Zulaufschläuche der anderen Messpunkte geschaltet, wobei vor jeder Messung eine ausreichend bemessene Menge Flüssigkeit aus dem Auffangbehälter in den jeweiligen Zulaufschlauch und das Überlaufgefäß gepumpt wird, sodass das Messsystem bis zum oberen Niveau gefüllt ist. Die überschüssige Flüssigkeit wird über den zugehörigen Absaugschlauch sofort in den Auffangbehälter geleitet, sodass keine Flüssigkeit verloren geht.
Die folgende kurze Ableitung zeigt, dass dabei der Überdruck p_ü eliminiert wird: p_ref = p_refFS + p_ü p_x = p_xFS + p_ü Δp = p_x – p_ref = p_xFS + p_ü – p_refFS – p_ü Δp = p_xFS – p_refFS
Zeichenerklärung:

p_ref, p_x:

Druck am Eingang des Differenzdruckmessers

p_refFS, p_xFs:

Druck am Eingang des Differenzdruckmessers, wenn am Messpunkt Atmosphärendruck herrschen würde

Δp:

Druckdifferenz

Da das Gas unter einem bestimmten Druck steht, muss zur Bestimmung der eigentlichen Gasmenge bzw. dem Gasvolumen dessen Wert unter Normalbedingungen angegeben werden. Die Umrechnung auf Normalbedingungen erfolgt mit Hilfe der Gasgesetze. Hierfür gilt:
Zeichenerklärung:

V:

berechneter Rauminhalt

v₀:

Gasvolumen unter Normalbedingungen

p:

gemessener Luftdruck

p₀:

Normalluftdruck (760 mmHg)

T:

gemessene Temperatur

T₀:

Normaltemperatur (293°K)

Es ist auch möglich, statt eines Differenzdruckmessers einen einfachen Druckmesser mit nur einem Eingang einzusetzen. In diesem Fall muss dann zuerst der Referenzdruck gemessen werden, da dieser zur Berechnung der Höhen der anderen Messpunkte erforderlich ist.
Wegen der Größe des Doppelmembranspeichers und um die Verbindungsschläuche optimal verlegen zu können, kann es zweckmäßig sein, statt eines zentralen Druckmessers zwei oder mehrere Druckmesser einzusetzen, wobei auch die Ventilsteuerung entsprechend verteilt werden kann.
Da bei niedrigen Füllungsraten die Form der unteren Membran völlig unregelmäßig ist und sich auch zeitlich ständig verändert, muss durch eine geeignete Vorrichtung dafür gesorgt werden, dass die untere Membran eine stabile und messtechnisch auswertbare Form annimmt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht ein elastisches Netz vor, das immer straff gespannt ist und sich dadurch die untere Membran auch bei geringen Füllungsgraden zusammenfalten kann, aber durch das Netz eine relativ regelmäßige Form annimmt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Beschrieben ist hier ein Doppelmembranspeicher für eine Biogasanlage.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 einen Schnitt durch den Behälter einer Biogasanlage,
2 die Draufsicht auf die in 1 dargestellte Anordnung unterhalb der oberen Membran,
3 einen Schnitt durch eine erste Messeinheit,
4 eine Ausführungsform, bei der über der unteren Membran ein elastisches Netz angebracht ist und
5 die Draufsicht auf eine Ausführungsform des elastischen Netzes.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 und 2 erläutern schematisch den Aufbau der Anordnung. In 1 ist ein Schnitt durch den Behälter einer Biogasanlage dargestellt. 2 zeigt die Draufsicht auf die in 1 dargestellte Anordnung unterhalb der oberen Membran 2. Der Behälter ist mit einem Doppelmembran-Tragluftdach versehen, das aus einer unteren Membran 1 und einer oberen Membran 2 gebildet wird. Auf der unteren Membran 1 sind die Messeinheiten 4 bis 8 angeordnet, die über Zulaufschläuche 11 und Absaugschläuche 12 und Ventilsteuerungen 9 mit Druckmessern 10 und Auffangbehältern 13 verbunden sind. Zur Vereinfachung sind nur bei einem Messgerät die Zulaufschläuche 11 und Absaugschläuche 12 mit Bezugszeichen versehen. Ferner sind auf einer bekannten Höhe zwei Referenzmesseinheiten 3 angeordnet, die ebenfalls über Zulaufschläuche 11 und Absaugschläuche 12 und Ventilsteuerungen 9 mit Druckmessern 10 und Auffangbehältern 13 sowie einer Auswerte- und Steuereinheit 14 verbunden sind. In der dargestellten Ausführung werden zwei Ventilsteuerungen 9, zwei Druckmesser 10 und zwei Auffangbehälter 13 verwendet, um einen günstigen Verlauf der Zulaufschläuche 11 und Absaugschläuche 12 zu ermöglichen, die aber mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit 14 verbunden sind. Die untere Membran 1 ist unregelmäßig aufgebläht.
In der 3 ist eine mögliche Ausführungsform der Messeinheiten 4 bis 8 dargestellt. Die Messeinheiten 4 bis 8 dienen als Überlaufgefäße. Sie ermöglichen das Auffüllen mit neuen Flüssigkeiten. Sie bestehen aus zwei durch eine Öffnung verbundenen Kammern, die jeweils mit einem Zulaufschlauch 11 und einem Absaugschlauch 12 verbunden sind, wobei eine äußere Kammer eine als Absaugöffnung 15 dienende Öffnung aufweist. Die Messeinheiten 4 bis 8 sind so gestaltet, dass der äußere Druck ungehindert auf die Flüssigkeitssäule wirken kann und die über die Zulaufschläuche 11 einströmende Flüssigkeit an einer Absaugöffnung 15 sofort abgesaugt wird. Damit ist gewährleistet, dass die aus Zulaufschlauch 11 und den als Überlaufgefäß fungierenden Messeinheiten 4 bis 8 bestehende Flüssigkeitssäule bei der Messung immer definiert bis zum Niveau der Absaugöffnung 15 gefüllt ist.
Bei der in 3 gezeigten Ausführung befindet sich die Absaugöffnung 15 oberhalb der Berührungsfläche der Messeinheit 4 bis 8 mit der unteren Membran 1. Diese Messeinheit 4 bis 8 kann bis fast 90° schräg gestellt werden, ohne dass Luft in den Zulaufschlauch 11 eintreten kann.
In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der auch bei einem geringen Füllungsgrad eine ausreichend genaue Messung mit der hydrostatischen Höhenmessung ermöglicht wird. Hierzu ist über der unteren Membran 1 ein elastisches Netz 16 angebracht, das so gestaltet ist, dass sich die darunter befindliche untere Membran 1 zwar bei geringen Füllungsgraden zusammenfalten kann, aber das Netz trotzdem eine regelmäßige Form annimmt. Die Messeinheiten 4 bis 8 sind auf den Netzknotenpunkten befestigt und ermöglichen das Erfassen und die mathematische Beschreibung der Form des Netzes.
Das elastische Netz 16 wird von Seilen oder Gurten gebildet, die über Federn verbunden sind und dafür sorgen, dass das Netz (16) immer straff gespannt ist. Es ist auch möglich, dass die Seile oder Gurte aus einem elastischen Material bestehen.
Bei der hier dargestellten Ausführung befindet sich an der Unterseite der oberen Membran 2 ein zusätzlicher Entfernungsmesser 17.
5 zeigt die Draufsicht auf eine Ausführungsform eines elastischen Netzes 16, welches aus Seilen besteht, die mittels Federn verbunden sind.
Bezugszeichenliste

1: untere Membran
2: obere Membran
3: Referenzmesseinheit
4 bis 8: Messeinheit
9: Ventilsteuerung
10: Druckmesser
11: Zulaufschlauch
12: Absaugschlauch
13: Auffangbehälter
14: Auswerte- und Steuereinheit
15: Absaugöffnung
16: elastisches Netz
17: Entfernungsmesser

Claims

Vorrichtung zur Volumenmessung eines gasförmigen Mediums in einem Doppelfolienspeicher, bei dem sich zwischen einer unteren Membran (1) und einer oberen Membran (2) komprimierte Luft befindet, dadurch gekennzeichnet, dass auf der unteren Membran (1) als Überlaufgefäße ausgebildete Messeinheiten (4 bis 8) angebracht sind, die über Zulaufschläuche (11) und Absaugschläuche (12) mit einem oder mehreren Druckmessern (10) und einem oder mehreren Auffangbehältern (13) verbunden sind, und sich auf einem definierten Höhenniveau mindestens eine Referenzmesseinheit (3) befindet, wobei die Messeinheiten (4 bis 8) und die Referenzmesseinheit (3) aus zwei durch eine Öffnung miteinander verbundenen Kammern bestehen, an denen jeweils ein Zulaufschlauch (11) und ein Absaugschlauch (12) angeschlossen sind und eine der beiden Kammern eine Absaugöffnung (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwei Druckmesser (10), Ventilsteuerungen (9) und Auffangbehälter (13) angeordnet sind, die mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Vorrichtung die untere Membran (1) in eine stabile und messtechnisch auswertbare Form gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als geeignete Vorrichtung über der unteren Membran (1) ein elastisches Netz (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Netz (16) aus Seilen oder Gurten besteht, die über Federn verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile oder Gurte elastisch sind.
Verfahren zur Volumenmessung eines gasförmigen Mediums mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels auf der unteren Membran (1) angebrachter Messeinheiten (4 bis 8) der Überdruck bestimmt wird und mittels mindestens einer auf einem definierten Höhenniveau angeordneten Referenzmesseinheit (3) der Überdruck, der zwischen der unteren Membran (1) und der oberen Membran (2) besteht, eliminiert wird und aus der gemessenen Druckdifferenz, welche zwischen dem Überdruck an der unteren Membran (1) und dem Überdruck an der oberen Membran (2) besteht, die Höhendifferenz zwischen der Referenzmesseinheit (3) und einer der Messeinheiten (4 bis 8) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn eines Messzyklus in die Referenzmesseinheit (3) so viel Flüssigkeit gepumpt wird, dass diese mit Sicherheit bis zu einer Absaugöffnung (15) gefüllt ist, dass nacheinander die einzelnen Zulaufschläuche (11) der Messeinheiten (4 bis 8) über eine Ventilsteuerung (9) mit der gleichen Flüssigkeit gefüllt werden und die jeweiligen Höhendifferenzen bestimmt werden, wobei die überflüssige Flüssigkeit in der Referenzmesseinheit (3) und in den Messeinheiten (4 bis 8) in die jeweiligen Absaugschläuche (12) geleitet wird, deren untere Enden in einem Auffangbehälter (13) münden, von wo die Flüssigkeit wieder in die Zulaufschläuche (11) gepumpt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Druckmesser (10) zuerst ein Referenzdruck der Referenzmesseinheit (3) gemessen wird, der zur Höhenberechnung der anderen Messeinheiten (4 bis 8) nach der Beziehung
verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckmessung mittels eines Differenzdruckmessers erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und der Druck des gespeicherten Gases gemessen werden und daraus das Gasvolumen berechnet wird, welches bei Normalbedingungen bestehen würde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Wegmessung mit Wegsensoren durchgeführt wird, um die horizontale Verschiebung der Messeinheiten (4 bis 8) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die von einem Druckmesser (10) als auch die von den Wegsensoren gemessenen Werte an eine Auswerte- und Steuereinheit (14) zur Volumenberechnung übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine hydrostatische Druckmessung mit einer Entfernungsmessung kombiniert wird, wobei im höchsten Punkt der oberen Membran (2) ein Entfernungsmesser (17) angebracht wird, der die Form der unteren Membran (1) erfasst, wenn diese nur wenig aufgebläht ist und die hydrostatische Höhenmessung erst einsetzt, wenn die untere Membran (1) schon etwas mehr aufgeblasen ist und somit regelmäßiger geformt ist.