DE102015120636A1 - Method for determining a property of a hydrocarbon mixture and ultrasonic flowmeter - Google Patents

Method for determining a property of a hydrocarbon mixture and ultrasonic flowmeter Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Kohlenwasserstoffgemisches, insbesondere eines gasförmigen Kohlenwasserstoffgemisches, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert, Brennwert und/oder davon ableitbare Größen des Kohlenwasserstoffgemisches, umfassend die folgenden Schritte
a) Bereitstellen eines mathematischen Modells zur Berechnung einer Interpolation;
b) Messen einer Temperatur und eines Druckes des Kohlenwasserstoffgemisches in einem Behältnis und/oder Rohr;
c) Ermittlung von Koeffizienten der Interpolation mit den in Schritt b) bereitgestellten Werten anhand des Modells;
d) Messen einer Schallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgemisches; und
e) Ermittlung der Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches anhand der Interpolation mittels der Schallgeschwindigkeit;
und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät.A method for determining a property of a hydrocarbon mixture, in particular a gaseous hydrocarbon mixture, selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value, calorific value and / or quantities of the hydrocarbon mixture derivable therefrom, comprising the following steps
a) providing a mathematical model for calculating an interpolation;
b) measuring a temperature and a pressure of the hydrocarbon mixture in a container and / or pipe;
c) determining coefficients of the interpolation with the values provided in step b) on the basis of the model;
d) measuring a sonic velocity of the hydrocarbon mixture; and
e) determination of the property of the hydrocarbon mixture on the basis of the interpolation by means of the speed of sound;
and an ultrasonic flowmeter.

Figure DE102015120636A1_0001
Figure DE102015120636A1_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Kohlenwasserstoffgemisches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Gemisches aus zumindest zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen, insbesondere gasförmigen Kohlenwasserstoffen, und zumindest einem nicht der Klasse der Kohlenwasserstoffe zugeordnetem weiteren Gas und ein Ultraschall-Durchflussmessgerät.The present invention relates to a method for determining a property of a hydrocarbon mixture according to the preamble of claim 1, a method for determining a property of a mixture of at least two or more hydrocarbons, in particular gaseous hydrocarbons, and at least one not the class of hydrocarbons associated further gas and an ultrasonic flowmeter.

Aus der US 6,604,051 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffen mit und ohne Fremdgasanteilkompensation bekannt. Es wird vorgeschlagen Konzentrationen der Gaskomponenten durch ein Infrarotspektrum zu bestimmen. Bei Fremdgasen welche sich im Infrarotspektrum nur schwer auswerten lassen, z.B. Stickstoff, können spezifische Sensoren genutzt werden. Weiterhin ist in einer Speichereinheit eine Liste mit Standardmischungen an Kohlenwasserstoffen abgelegt, welche durch ein Software-Programm verarbeitet werden für bestimmte Drücke und Temperaturen. Daraufhin wird eine Korrelation erstellt zwischen der Schallgeschwindigkeit und der molaren Masse. Die Schallgeschwindigkeit wird ermittelt und muss für jede Messung neu unter Abfrage der vorgenannten Liste erstellt werden. In 8a und 8b ist dargestellt, dass zusätzlich zum Mediumsdruck p, zur Mediumstemperatur T und zur Schallgeschwindigkeit SOS auch noch die Konzentration der Kohlenwasserstoffkomponenten cKW zur Ermittlung von Eigenschaften genutzt werden. Anschließend wird eine Korrelation durch eine Software 800 erzeugt mit der jeweils zu ermittelnden Eigenschaft, z.B. der Molmasse, in Abhängigkeit zur Schallgeschwindigkeit.From the US 6,604,051 B1 For example, a method for determining a property of a mixture of hydrocarbons with and without offgas compensation is known. It is proposed to determine concentrations of the gas components by an infrared spectrum. With foreign gases, which are difficult to evaluate in the infrared spectrum, eg nitrogen, specific sensors can be used. Furthermore, a list of standard mixtures of hydrocarbons stored in a storage unit, which are processed by a software program for certain pressures and temperatures. Then a correlation is made between the speed of sound and the molar mass. The speed of sound is determined and has to be recreated for each measurement by querying the aforementioned list. In 8a and 8b is shown that in addition to the medium pressure p, the medium temperature T and the speed of sound SOS also the concentration of the hydrocarbon components c KW are used to determine properties. Subsequently, a correlation is made by a software 800 generated with the respective property to be determined, for example the molecular weight, as a function of the speed of sound.

Die US 6,604,051 B1 hat den Nachteil, dass das Vorhalten einer großen Anzahl an Standardmischungen und das Erstellen einer Korrelation einen großen Platz auf dem Datenspeicher belegt und die Verarbeitungsgeschwindigkeit durch Zuordnung der Daten beeinträchtigt wird.The US 6,604,051 B1 has the disadvantage that the provision of a large number of standard mixes and the creation of a correlation occupy a large space on the data store and the processing speed is affected by the assignment of the data.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren zur Ermittlung von bestimmten Eigenschaften bereitzustellen.Based on this, it is an object of the present invention to provide an alternative method for determining specific properties.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren den Merkmalen des Anspruchs 1.The invention solves this problem by a method the features of claim 1.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Kohlenwasserstoffgemisches, insbesondere eines gasförmigen Kohlenwasserstoffgemisches, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert und/oder Brennwert des Kohlenwasserstoffgemisches, umfasst die folgenden Schritte

  • a) Bereitstellen eines mathematischen Modells zur Berechnung einer Interpolation zwischen den vorgenannten Eigenschaften und einer Schallgeschwindigkeit im Kohlenwasserstoffgemisch;
  • b) Messen einer Temperatur und eines Druckes des Kohlenwasserstoffgemisches in einem Behältnis und/oder Rohr;
  • c) Ermittlung von Koeffizienten der Interpolation mit den in Schritt b) bereitgestellten Werten anhand des Modells;
  • d) Messen einer Schallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgemisches; und
  • e) Ermittlung der Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches anhand der Interpolation mittels der Schallgeschwindigkeit.
An inventive method for determining a property of a hydrocarbon mixture, in particular a gaseous hydrocarbon mixture selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value and / or calorific value of the hydrocarbon mixture comprises the following steps
  • a) providing a mathematical model for calculating an interpolation between the aforementioned properties and a speed of sound in the hydrocarbon mixture;
  • b) measuring a temperature and a pressure of the hydrocarbon mixture in a container and / or pipe;
  • c) determining coefficients of the interpolation with the values provided in step b) on the basis of the model;
  • d) measuring a sonic velocity of the hydrocarbon mixture; and
  • e) Determination of the property of the hydrocarbon mixture on the basis of the interpolation by means of the speed of sound.

Durch das Bereitstellen eines mathematischen Modells und durch die Ermittlung der Interpolation und der Koeffizienten der Interpolation erst nach der Messung der Temperatur und des Drucks kann mehr Speicherplatz zur Datenspeicherung in einem Messgerät freigehalten werden und es kann eine schnellere Datenverarbeitung erfolgen. Weitere teure Software-Lösungen oder Messgeräte zur Konzentrationsermittlung sind nicht erforderlich.By providing a mathematical model and finding the interpolation and coefficients of interpolation only after measuring the temperature and pressure, more memory for data storage in a meter can be kept free and faster data processing can occur. Other expensive software solutions or concentration measuring instruments are not required.

Das mathematische Modell gemäß Verfahrensschritt a) braucht vorzugsweise nur einmalig bereitgestellt werden. Das einmalige Bereitstellen ist zwar nicht zwingend erforderlich, es spart jedoch Rechenleistung und Speicherplatz. Das einmalige Bereitstellen kann schon beim Aufspielen einer Software im Werk oder bei der Inbetriebnahme vor Ort oder aber zu Beginn jeder Messung erfolgen. Im Unterschied dazu können die Schritte b)–e) während einer Messung besonders bevorzugt mehrfach wiederholt werden.The mathematical model according to method step a) preferably needs to be provided only once. The one-time deployment is not mandatory, but it saves computing power and storage space. The one-time provision can already be made when a software is installed in the factory or during commissioning on site or at the beginning of each measurement. In contrast, the steps b) -e) can be repeated a plurality of times during a measurement with particular preference.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Es ist von Vorteil, wenn die Interpolation zumindest ein Polynom zweiten Grades ist und Koeffizienten umfasst, die abhängig sind von der Temperatur und/oder dem Druck.It is advantageous if the interpolation is at least a second-order polynomial and comprises coefficients that are dependent on the temperature and / or the pressure.

Die Schritte b) und c) können vorteilhaft innerhalb eines ersten Zeitintervalls erfolgen.The steps b) and c) can advantageously take place within a first time interval.

Nach Ablauf des ersten Zeitintervalls können die Schritte b) und c) und e) vorteilhaft wiederholt werden und dass der Schritt d) durchgeführt wird, sofern sich die Temperatur und/oder der Druck geändert hat.After the first time interval, steps b) and c) and e) can advantageously be repeated and step d) is carried out if the temperature and / or the pressure has changed.

Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Gemisches aus zumindest zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen, insbesondere gasförmigen Kohlenwasserstoffen, und zumindest einem nicht der Klasse der Kohlenwasserstoffe zugeordnetem weiteren Gas, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert und/oder Brennwert des Messmediums gekennzeichnet nach den Folgenden Schritten:

  • A Bereitstellen des Stoffmengenanteils und/oder der Konzentration des weiteren Gases im Gemisch und
  • B Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Ermittlung eines unkorrigierten Wertes der Eigenschaft;
  • C Korrektur des unkorrigierten Wertes anhand des Stoffmengenanteils des weiteren Gases und einem Polynom, welches abhängig ist von zumindest einer in Schritt b) und d) des Anspruchs 1 gemessenen Größe.
Furthermore, according to the invention, a method for determining a property of a mixture of at least two or more Hydrocarbons, in particular gaseous hydrocarbons, and at least one other gas not assigned to the class of hydrocarbons selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value and / or calorific value of the measuring medium characterized by the following steps:
  • A Providing the mole fraction and / or the concentration of the other gas in the mixture and
  • B carrying out the method according to claim 1 with determination of an uncorrected value of the property;
  • C Correction of the uncorrected value on the basis of the molar fraction of the further gas and a polynomial which is dependent on at least one measured in step b) and d) of claim 1 size.

In Weiterentwicklung zum vorhergehenden Verfahren kann nunmehr auch die Ermittlung der vorgenannten Eigenschaften auch bei gasförmigen Gemischen mit Kohlenwasserstoffen und Fremdgasanteilen erfolgen.In further development of the previous method, the determination of the abovementioned properties can now also be carried out in the case of gaseous mixtures with hydrocarbons and foreign gas fractions.

Das Bereitstellen gemäß Schritt A kann durch eine Eingabe eines vorbekannten Wertes erfolgen. Der vorbekannte Wert kann entweder dem Nutzer bekannt sein oder er kann durch Messung ermittelt werden.The provision according to step A can be done by entering a known value. The previously known value can either be known to the user or it can be determined by measurement.

Alternativ kann das Bereitstellen gemäß Schritt A auch vorteilhaft nach den folgenden Schritten erfolgen:

  • I Messen einer erfindungsgemäß zu ermittelnden Eigenschaft des Gemisches und Bereitstellen eines auf die Eigenschaft bezogenen Messwertes;
  • II Durchführen des eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Schritten a)–e) unter Ermittlung eines auf die Eigenschaft bezogenen Wertes;
  • III Ermittlung einer Stoffmenge und/oder einer Konzentration durch Vergleich des Messwertes aus Schritt I und des Wertes aus Schritt B des Anspruchs 5.
Alternatively, the provisioning according to step A can also advantageously take place according to the following steps:
  • I measuring a property of the mixture to be determined according to the invention and providing a measured value related to the property;
  • II carrying out a method according to the invention with the steps a) -e) with determination of a value related to the property;
  • III Determining a quantity of substance and / or a concentration by comparing the measured value from step I and the value from step B of claim 5.

Die in Schritt I und II genannte Eigenschaft kann vorzugsweise die Viskosität des Gemisches sein.The property mentioned in step I and II may preferably be the viscosity of the mixture.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät umfasst zumindest einen, insbesondere zwei, Ultraschallwandler zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr und zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Mediums, wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät zudem ein Druck- und ein Temperaturmessgerät aufweist, und wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Auswerteeinheit aufweist, welche ausgelegt ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.An ultrasonic flowmeter according to the invention comprises at least one, in particular two, ultrasonic transducers for determining the flow rate of a medium in a tube and for determining the speed of sound of the medium, wherein the ultrasonic flowmeter also has a pressure and a temperature measuring device, and wherein the ultrasonic flowmeter an evaluation unit which is designed for carrying out a method according to one of the preceding claims.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures:

1: ein Diagramm bezüglich der Molmasse im Verhältnis zur gemessenen Schallgeschwindigkeit bei Normaldruck und unterschiedlichen Temperaturen; 1 a graph of molecular weight in relation to the measured speed of sound at normal pressure and different temperatures;

2: eine Tabelle zu unterschiedlichen Stoffgemischen von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Alkanen, mit ihren Ultraschallgeschwindigkeiten und die Molmasse der Zusammensetzungen; 2 : a table of different mixtures of hydrocarbons, especially alkanes, with their ultrasonic speeds and the molecular weight of the compositions;

3: ein Diagramm zur Darstellung einer Molmasse in Abhängigkeit einer Schallgeschwindigkeit bei 20 Grad Celsius und bei unterschiedlichen Drücken; 3 : a diagram showing a molecular mass as a function of a speed of sound at 20 degrees Celsius and at different pressures;

4: ein Diagramm bezüglich der Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Schallgeschwindigkeit bei konstantem Druck von einem bar und verschiedenen Temperaturen; 4 : a graph of the dependence of the dynamic viscosity on the speed of sound at constant pressure of one bar and different temperatures;

5: ein Diagramm bezüglich des Heizwerts in Abhängigkeit zur Schallgeschwindigkeit bei einem konstanten Druck von einem bar und unterschiedlichen Temperaturen; 5 a graph of the calorific value as a function of the speed of sound at a constant pressure of one bar and different temperatures;

6: Vergleichsdiagramm zwischen einem Modell mit bekannten Kohlenwasserstoffmischungen und einem Modell, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt wird, wobei die molare Masse im Bezug auf unterschiedliche Drücke verglichen werden; 6 FIG. 3 is a comparison diagram between a model with known hydrocarbon mixtures and a model used according to the method of the invention, the molar mass being compared with respect to different pressures; FIG.

7a: Fehler zwischen dem theoretischen Modell bei bekannten Zusammensetzungen und dem Modell, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt wird, bei unbekannten Zusammensetzungen bezogen auf die molare Masse; 7a : Error between the theoretical model in known compositions and the model, which is used by the method according to the invention, with unknown compositions based on the molar mass;

7b: Fehler zwischen dem theoretischen Modell bei bekannten Zusammensetzungen und dem Modell, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt wird, bei unbekannten Zusammensetzungen bezogen auf die Viskosität; 7b : Error between the theoretical model in known compositions and the model used according to the method of the invention with unknown compositions in relation to the viscosity;

7c: Fehler zwischen dem theoretischen Modell bei bekannten Zusammensetzungen und dem Modell, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt wird, bei unbekannten Zusammensetzungen bezogen auf die Dichte; 7c : Error between the theoretical model in known compositions and the model used according to the method of the invention with unknown compositions in terms of density;

8a: Schematische Darstellung der Vorgehensweise der US 6,604,051 B1 ; 8a Schematic representation of the procedure of US 6,604,051 B1 ;

8b: Korrelationsdarstellung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der molaren Masse nach der US 6,604,051 B1 ; und 8b : Correlation representation between the speed of sound and the molar mass after the US 6,604,051 B1 ; and

9: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante eines Verfahrens. 9 : schematic representation of an embodiment of a method according to the invention.

Die Nutzung von Ultraschall-Durchflussmessgeräten zur Bestimmung der Zusammensetzung eines gasförmigen Mediums ist bereits aus der EP 2 035 821 B1 bekannt. Bezüglich des Grundaufbaues eines Ultraschal-Durchflussmessgerätes wird vollumfänglich auf diese Druckschrift verwiesen. Üblicherweise weisen Ultraschall-Durchflussmessgeräte zumindest zwei Ultraschall-Wandler auf, von denen ein erster Ultraschall-Wandler im Sendebetrieb ein Ultraschallsignal schräg in ein im Rohr, vorzugsweise in einem Messrohr, strömenden Medium abgibt und wobei der zweite Ultraschall-Wandler im Empfangsbetrieb dieses Ultraschallsignal empfängt und im Anschluss ein weiteres Ultraschallsignal in Gegenrichtung zum ersten Ultraschall-Wandler abgibt, welches dort an diesem ersten Ultraschall-Wandler empfangen wird. Die Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen des Ultraschallsignals sowohl im Hin- als auch in Rückrichtung wird sodann miteinander verglichen, um die sogenannte Laufzeitdifferenz zu ermitteln. Anhand dieser Laufzeitdifferenz kann sodann die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums im Rohr bestimmt werden.The use of ultrasonic flowmeters to determine the composition of a gaseous medium is already out of the EP 2 035 821 B1 known. With regard to the basic structure of an ultrasonic flowmeter, reference is made in full to this document. Ultrasonic flowmeters usually have at least two ultrasound transducers, of which a first ultrasound transducer transmits an ultrasound signal obliquely into a tube, preferably in a measuring tube, in the transmitting mode and wherein the second ultrasound transducer receives this ultrasound signal in the receiving mode and Subsequently, another ultrasonic signal in the opposite direction to the first ultrasonic transducer outputs, which is received there at this first ultrasonic transducer. The time between the emission and the reception of the ultrasound signal both in the forward and in the return direction is then compared with one another in order to determine the so-called transit time difference. Based on this transit time difference, the flow rate of the medium in the tube can then be determined.

Als Medium können insbesondere sowohl Flüssigkeiten als auch Gase gemessen werden.In particular, both liquids and gases can be measured as the medium.

Zudem sind jedoch auch andere Möglichkeiten der Ultraschalldurchflussmessung bekannt, beispielsweise unter Verwendung lediglich eines Ultraschallwandlers, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls erfasst sind. Neben der Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit ist bei Ultraschalldurchflussmessgeräten auch die Schallgeschwindigkeit ermittelbar, mit welcher sich das Ultraschallsignal im Messmedium ausbreitet. Diese Schallgeschwindigkeit ist eine stoffspezifische Eigenschaft, welche von Messmedium zu Messmedium verschieden ist. Die Schallgeschwindigkeit ist zudem von der Temperatur und dem im Rohr bzw. Messrohr herrschenden Druck abhängig.In addition, however, other possibilities of ultrasonic flow measurement are known, for example using only one ultrasonic transducer, which are also included in the context of the present invention. In addition to the determination of the flow rate, ultrasonic velocity measuring devices can also be used to determine the speed of sound with which the ultrasonic signal propagates in the measuring medium. This speed of sound is a substance-specific property, which differs from medium to medium. The speed of sound also depends on the temperature and the pressure prevailing in the pipe or measuring tube.

Diese Daten können durch das Ultraschalldurchflussmessgerät selbst oder durch weitere in einer Prozessleitung angeordnete Sensoren bestimmt werden. Idealerweise sollte jedoch das Erfassen des Mediumsdrucks und der Mediumstemperatur möglichst nah an den Ultraschall-Wandlern erfolgen, um Messfehler bei der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit möglichst gering zu halten. Dementsprechend ist auch aus dem Stand der Technik bereits ein Ultraschalldurchflussmessgerät zur Ermittlung der Zusammensetzung von Biogas bekannt, welches zusätzlich einen Sensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur und ein Sensor zur Ermittlung des Mediumsdruckes aufweist.This data can be determined by the ultrasonic flowmeter itself or by further sensors arranged in a process line. Ideally, however, the recording of the medium pressure and the medium temperature should be as close as possible to the ultrasonic transducers in order to minimize measurement errors in determining the speed of sound. Accordingly, an ultrasonic flowmeter for determining the composition of biogas is also known from the prior art, which additionally has a sensor for determining the medium temperature and a sensor for determining the medium pressure.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Molmasse von Gemischen von Kohlenwasserstoffverbindungen, insbesondere aliphatischen Kohlenwasserstoffverbindungen, besonders bevorzugt Alkanen und Alkan-Gemischen, bestimmt werden. Dieses Verfahren kann vorzugsweise als Betriebsmodus in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät integriert sein, so dass Ultraschall-Durchflussmessgerät zusätzlich dem üblichen Betriebsmodus zur Ermitttlung der Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Durchflusses auch eine Ermittlung einer Viskosität, einer Molmasse, einer Dichte, eines Heizwertes und/oder eines Brennwertes eines Kohlenwasserstoffgemisches erfolgen.In the context of the present invention, the molecular weight of mixtures of hydrocarbon compounds, in particular aliphatic hydrocarbon compounds, particularly preferably alkanes and alkane mixtures, can be determined. This method may preferably be integrated as an operating mode in an ultrasonic flowmeter, so that ultrasonic flowmeter in addition to the usual operating mode for determining the flow rate and / or flow and a determination of a viscosity, molecular weight, density, calorific value and / or Calorific value of a hydrocarbon mixture done.

2 zeigt verschiedene Zusammensetzungen von Kohlenwasserstoffverbindungen im Vergleich mit dem Reingas Ethan. Die Angaben sind dabei die Molzahlen der jeweiligen Gase in einem Gasgemisch 2 shows various compositions of hydrocarbon compounds in comparison with the pure gas ethane. The data are the molar numbers of the respective gases in a gas mixture

Ethan weist eine Schallgeschwindigkeit von 318,3 m/s bei einer Temperatur von 40°C auf und eine Molmasse von 30,07 g/mol.Ethane has a speed of sound of 318.3 m / s at a temperature of 40 ° C and a molecular weight of 30.07 g / mol.

Ein Gemisch aus 50% Methan und 50% Propan weist im Mittelwert ebenfalls eine Molmasse von 30,07 g/mol auf, nämlich 16,04 g/mol für CH4 und 44,1 g/mol für C3H8, was einer Molmasse bei einer Zusammensetzung mit jeweils 0,5 mol beider Gase von ebenfalls 30,07 g/mol ergibt.A mixture of 50% methane and 50% propane has on average also a molecular weight of 30.07 g / mol, namely 16.04 g / mol for CH 4 and 44.1 g / mol for C 3 H 8 , giving a Molar mass in a composition with 0.5 mol of both gases also gives 30.07 g / mol.

Die Molmasse bezieht sich bekannterweise jeweils auf die Masse von 6,022·1023 Teilchen, welches im Falle eines Gasgemisches jeweils 3,011·1023 Teilchen an Methan und der gleichen Anzahl an Teilchen an Propan betrifft. Die Molmasse eines Mols des Gasgemisches entspricht somit der Molmasse von Ethan. Wie man aus der Tabelle erkennt, haben Gasgemische verschiedener Kohlenwasserstoffe, sofern die Gasgemische jeweils die gleichen Molmassen aufweisen, jeweils annähernd die gleiche Schallgeschwindigkeit.The molar mass is known to refer in each case to the mass of 6.022 x 10 23 particles, which in the case of a gas mixture in each case relates to 3.011 x 10 23 particles of methane and the same number of particles of propane. The molecular weight of one mole of the gas mixture thus corresponds to the molecular weight of ethane. As can be seen from the table, gas mixtures of different hydrocarbons, if the gas mixtures each have the same molecular weights, each have approximately the same speed of sound.

Die Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeiten von Gasgemischen mit unterschiedlichen Komponenten bei einheitlicher Molmasse der Gasgemische annähernd gleich groß sind, kann im Rahmen der Erfindung zur Ermittlung der Molmasse genutzt werden.The fact that the speeds of sound of gas mixtures with different components are approximately the same for a uniform molar mass of the gas mixtures, can be used in the invention for determining the molecular weight.

Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung einer Eigenschaft eines Kohlenwasserstoffgemisches, insbesondere eines gasförmigen Kohlenwasserstoffgemisches, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert und/oder Brennwert des Gemisches, umfassend die folgenden Schritte

  • a) Bereitstellen eines mathematischen Modells zur Berechnung einer Interpolation;
  • b) Messen einer Temperatur und eines Druckes des Kohlenwasserstoffgemisches in einem Behältnis und/oder Rohr;
  • c) Ermittlung der Koeffizienten der Interpolation mit den in Schritt b) bereitgestellten Werten und anhand des mathematischen Modells;
  • d) Messen einer Schallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgemisches; und
  • e) Ermittlung der Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches anhand der Interpolation mittels der Schallgeschwindigkeit.
According to the invention, the determination of a property of a hydrocarbon mixture, in particular a gaseous hydrocarbon mixture, selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value and / or calorific value of the mixture, comprising the following steps
  • a) providing a mathematical model for calculating an interpolation;
  • b) measuring a temperature and a pressure of the hydrocarbon mixture in a container and / or pipe;
  • c) determining the coefficients of the interpolation with the values provided in step b) and on the basis of the mathematical model;
  • d) measuring a sonic velocity of the hydrocarbon mixture; and
  • e) Determination of the property of the hydrocarbon mixture on the basis of the interpolation by means of the speed of sound.

Das Kohlenwasserstoffgemisch kann dabei bevorzugt ein Gasgemisch sein. Typische gasförmige Kohlenwasserstoffe, die bei Raumtemperatur gasförmig sind, sind z.B. C1-C5-Verbindungen der Alkane, Alkene oder Alkine. Allerdings kann die Messung auch bei höheren Temperaturen, z.B. 90°C erfolgen, so dass auch Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlänge größer als C5 oder zyklische Kohlenwasserstoffe gasförmig vorkommen und gemessen werden können.The hydrocarbon mixture may preferably be a gas mixture. Typical gaseous hydrocarbons which are gaseous at room temperature are e.g. C1-C5 compounds of alkanes, alkenes or alkynes. However, the measurement may also be performed at higher temperatures, e.g. 90 ° C, so that hydrocarbons with a chain length greater than C5 or cyclic hydrocarbons occur in gaseous form and can be measured.

Die zu ermittelnde Eigenschaft kann die Molmasse, die Viskosität, die Dichte, der Brennwert oder der Heizwert des Kohlenwasserstoffgemisches sein. Es können auch mehrere dieser Eigenschaften zugleich bestimmt werden.The property to be determined may be the molar mass, the viscosity, the density, the calorific value or the calorific value of the hydrocarbon mixture. It is also possible to determine several of these properties at the same time.

In einem ersten Schritt a) des Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen eines mathematischen Modells zur Berechnung einer Interpolation, insbesondere eines Polynoms. Dieses Modell kann auch mathematisch-physikalisches Modell genannt werden und es kann vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass es das Verhältnis oder die Verhältnisse zwischen den verschiedenen physikalischen Werten Druck, Temperatur und Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Kohlenwasserstoffen und -gemischen sowie der zu ermittelnden Eigenschaft beschreibt. Das Verhältnis oder die Verhältnisse kann aus theoretischen oder experimentellen Werten ermittelt werden. Das mathematische Modell kann als ein Computerprogrammprodukt ausgebildet sein und kann beispielsweise auf einem Datenspeicher einer Auswerteeinheit des Messgeräts, z.B. in einem Messumformer des Ultraschallmessgeräts, hinterlegt sein. Es kann vorzugsweise bereits bei Inbetriebnahme des Ultraschall-Durchflussmessgeräts nach dessen Installation in einer Prozessleitung einer Anlage vorliegen.In a first step a) of the method, provision is made of a mathematical model for calculating an interpolation, in particular of a polynomial. This model may also be called a mathematical-physical model and may preferably be designed to describe the relationship or relationships between the various physical values of pressure, temperature and velocity of sound in various hydrocarbons and mixtures as well as the property to be determined. The ratio or ratios can be determined from theoretical or experimental values. The mathematical model can be designed as a computer program product and can be stored, for example, on a data memory of an evaluation unit of the measuring device, e.g. in a transmitter of the ultrasonic measuring device, be deposited. It may preferably already be present during commissioning of the ultrasonic flowmeter after its installation in a process line of a system.

In einem Schritt b) erfolgt das Messen einer Temperatur und eines Druckes des Kohlenwasserstoffgemisches in einem Behältnis und/oder Rohr. Wie bereits erwähnt ist die Methode nicht zwingend auf eine Durchflussmessung beschränkt, obwohl in Kombination mit dieser Technik in besonders vorteilhafter Art und Weise mehrere Messgrößen und Eigenschaften bestimmbar sind. Darüber hinaus ist z.B. aufgrund Möglichkeit der Ermittlung der Dichte auch eine Umrechnung von Volumendurchfluss auf Massendurchfluss möglich.In a step b), the measurement of a temperature and a pressure of the hydrocarbon mixture in a container and / or pipe. As already mentioned, the method is not necessarily limited to a flow measurement, although in combination with this technique, a plurality of measured variables and properties can be determined in a particularly advantageous manner. In addition, e.g. Due to the possibility of determining the density, it is also possible to convert the volume flow rate to mass flow rate.

Es ist jedoch auch Möglich die Dichte, die Viskosität, die Molmasse, der Heizwert und/oder den Brennwert eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen. So ist es z.B. möglich einen Ultraschallsensor an die Wandung einer Gasflasche zu halten und eine der vorgenannten Eigenschaften zu ermitteln. Derartige Messgeräte werden oftmals auch als Clamp-On Messgeräte bezeichnet. Es ist allerdings auch möglich und bevorzugt die Ermittlung der Eigenschaft mittels eines In-Line Messgerätes durchzuführen bei welchem die Ultraschallwandler und die weiteren Sensoren, also Druck- und Temperatursensoren, des Messgerätes fest mit dem Behältnis oder dem Rohr verbunden sind. Die jeweiligen Sensoren können dabei produktberührende Oberflächen aufweisen, welche in direktem Kontakt mit dem Messmedium, also dem Kohlenwasserstoffgemisch, stehen.However, it is also possible to determine the density, the viscosity, the molecular weight, the calorific value and / or the calorific value of a medium in a container. So it is e.g. possible to hold an ultrasonic sensor to the wall of a gas cylinder and to determine one of the aforementioned properties. Such gauges are often referred to as clamp-on gauges. However, it is also possible and preferred to perform the determination of the property by means of an in-line measuring device in which the ultrasonic transducers and the other sensors, so pressure and temperature sensors, the meter are firmly connected to the container or the pipe. The respective sensors can have product-contacting surfaces, which are in direct contact with the measuring medium, ie the hydrocarbon mixture.

Die Sensoren zur Ermittlung der Temperatur, des Drucks und der Temperatur müssen nicht zwingend in einzelnen voneinander getrennten Sensoreinheiten vorgesehen sein. So ist es z.B. bekannt, dass eine Temperaturmessung und ein entsprechender Temperatursensor auch direkt in einem Ultraschallwandler integiert werden kann.The sensors for determining the temperature, the pressure and the temperature need not necessarily be provided in individual separate sensor units. So it is e.g. It is known that a temperature measurement and a corresponding temperature sensor can also be integrated directly in an ultrasonic transducer.

Als Kohlenwasserstoffgemisch kommen insbesondere Gemische in Betracht, die reine Kohlenwasserstoffe enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in einer Weiterbildung der Erfindung auf gasförmige Gemische ausgeweitet werden, welche sowohl gasförmige Kohlenwasserstoffgemische als auch weitere nicht zur Klasse der Kohlenwasserstoffe gehörende Gase aufweisen. Diese letzteren Gase werden im Kontext der vorliegenden Erfindung auch als Fremdgase bezeichnet.Suitable hydrocarbon mixtures are, in particular, mixtures which contain pure hydrocarbons. However, the method according to the invention can also be extended in an embodiment of the invention to gaseous mixtures which have both gaseous hydrocarbon mixtures and other gases not belonging to the class of hydrocarbons. These latter gases are also referred to as foreign gases in the context of the present invention.

In einem weiteren Schritt c) erfolgt die Ermittlung der Koeffizienten der Interpolation, insbesondere des Polynoms, anhand des mathematischen Modells mit den in Schritt a) bereitgestellten Werten. Typischerweise ist das Polynom zumindest ein Polynom zweiten Grades. Das Polynom kann z.B. eine Polynom 4. Grades sein, welches typischerweise Koeffizienten aufweist und in welchem zumindest zwei Koeffizienten abhängig sind von der Temperatur und/oder dem Druck. Der Zielwert des Polynoms ist dabei die Eigenschaft und der Wert des Polynoms kann dabei die Schallgeschwindigkeit sein.In a further step c), the coefficients of the interpolation, in particular of the polynomial, are determined on the basis of the mathematical model with the values provided in step a). Typically, the polynomial is at least a second order polynomial. The polynomial can e.g. a polynomial of degree 4, which typically has coefficients and in which at least two coefficients are dependent on the temperature and / or the pressure. The target value of the polynomial is the property and the value of the polynomial can be the speed of sound.

In einem weiteren Schritt d) erfolgt das Messen einer Schallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgemisches. Dies kann durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät erfolgen oder aber durch ein Messgerät welches z.B. nur einen Ultraschallwandler aufweist und welches nicht den Durchfluss sondern nur die Schallgeschwindigkeit ermittelt.In a further step d), the measurement of a speed of sound of the hydrocarbon mixture takes place. This can be done by an ultrasonic flowmeter or by a measuring device which eg only an ultrasonic transducer and which does not determine the flow but only the speed of sound.

Die Schritte b) bis d) können auch in einer geänderten Reihenfolge erfolgen. So kann im Rahmen des erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise der Schritt d), also das Messen der Schallgeschwindigkeit, auch vor den Schritten b) und c) erfolgen.The steps b) to d) can also take place in a changed order. For example, in the context of the method according to the invention, step d), that is to say the measurement of the speed of sound, can also take place before steps b) and c).

In einem Schritt e) erfolgt Ermittlung der Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches anhand des der Interpolation mittels der Schallgeschwindigkeit.In a step e), the property of the hydrocarbon mixture is determined on the basis of the interpolation by means of the speed of sound.

1 zeigt mehrere Kurven in einem Diagramm bei welchem auf der x-Achse die Schallgeschwindigkeit dargestellt ist und bei welchem auf der y-Achse die Molmasse dargestellt ist. 1 shows several curves in a diagram in which on the x-axis the speed of sound is shown and in which on the y-axis, the molecular weight is shown.

Die Kurven stellen verschiedene Polynome bei Temperaturen bei 0°C bis 100°C in Intervallen von 20°C. Wie man aus dem Diagramm erkennt, sind die Kurven stets um einen konkreten Abstand voneinander beabstandet und folglich sind die Kurven interpolierbar. Somit kann eine Temperaturvarianz bei einer Messung durch einen Koeffizienten ausgeglichen werden, wodurch eine Kurve bei 20°C mit einer Kurve bei 60°C in Deckung gebracht werden kann, sofern man die Messpunkte mit dem Koeffizienten multipliziert.The curves represent different polynomials at temperatures from 0 ° C to 100 ° C at 20 ° C intervals. As can be seen from the diagram, the curves are always at a specific distance from each other and thus the curves are interpolierbar. Thus, a temperature variance in a measurement can be compensated by a coefficient, whereby a curve at 20 ° C can be made to coincide with a curve at 60 ° C, as long as the measuring points are multiplied by the coefficient.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können folgende Zusammenhänge genutzt werden: M = Σ 4 / i=0ai·Ci, wobei C = Schallgeschwindigkeit und M = Molmasse
mit ai = Σ 4 / j=0bij·Tj, wobei T = Temperatur
und wobei, bij = Σ 4 / k=0cijk·Pk wobei P = DruckThe following relationships can be used for the method according to the invention: M = Σ 4 / i = 0 a i · C i , where C = speed of sound and M = molecular weight
With a i = Σ 4 / j = 0b ij * T j , where T = temperature
and where, b ij = Σ 4 / k = 0c ijk · P k where P = pressure

Durch cijk ist dabei gespeichert. Bei bekanntem Druck kann nunmehr der Koeffizient b berechnet werden. Daraus kann der Koeffizient a berechnet werden und schließlich kann die Molmasse oder eine andere Eigenschaft berechnet werden.By c ijk is stored. If the pressure is known, the coefficient b can now be calculated. From this, the coefficient a can be calculated and finally the molecular weight or another property can be calculated.

Druck und Temperatur bezieht sich dabei auf das Messmedium also das Kohlenwasserstoffgemisch oder das Gemisch mit den Kohlenwasserstoffen und dem Fremdgas. a, b und c sind jeweils Koeffizienten.Pressure and temperature refers to the medium thus the hydrocarbon mixture or the mixture with the hydrocarbons and the foreign gas. a, b and c are respectively coefficients.

Das gleiche mathematische Modell kann vorzugsweise für die Ermittlung der Dichte, den Heizwert und/oder den Brennwert anstelle der Molmasse genutzt werden. Ebenfalls kann das Modell für die Ermittlung der Viskosität verwendet werden aber mit i: 0...2 und j: 0...2 vereinfacht.The same mathematical model can preferably be used for determining the density, the calorific value and / or the calorific value instead of the molecular weight. Also, the model can be used to determine the viscosity but simplified with i: 0 ... 2 and j: 0 ... 2.

Die ermittelten Eigenschaften, z.B. die Viskosität des Kohlenwasserstoffgemisches, kann sich bei unterschiedlicher Temperatur oder unterschiedlichem Druck verändern. Daher ist es von Vorteil, die Messbedingungen zu überprüfen, also z.B. ob noch die ermittelte Temperatur und der ermittelte Druck der vorhergehenden Messung entsprechen. Ist dies der Fall, so ist eine erneute Ermittlung eines Polynoms überflüssig sondern die eine ermittelte neue Schallgeschwindigkeit kann direkt durch Verwendung des bereits aufgestellten Polynoms zur Ermittlung der jeweiligen Eigenschaft genutzt werden. Dies spart insbesondere Rechenleistung und erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Daten durch die Auswerteeinheit eines entsprechenden Messgerätes.The determined properties, e.g. the viscosity of the hydrocarbon mixture may vary at different temperature or pressure. Therefore, it is advantageous to check the measurement conditions, e.g. whether the determined temperature and the determined pressure correspond to the previous measurement. If this is the case, a new determination of a polynomial is superfluous, but the determined new sound velocity can be used directly by using the already established polynomial to determine the respective property. This saves in particular computing power and increases the processing speed of the data by the evaluation unit of a corresponding measuring device.

Die Messpunkte in 1 wurden durch ein Simulationsprogramm erstellt. Man erkennt dass die Kurven bei einer bestimmten Schallgeschwindigkeit alle annähernd den gleichen Abstand aufweisen. Dieser Abstand kann als ein temperaturabhängiger Koeffizient ausgedrückt werden.The measuring points in 1 were created by a simulation program. It can be seen that the curves at a certain speed of sound all have approximately the same distance. This distance can be expressed as a temperature-dependent coefficient.

In 3 ist der Kurvenverlauf von Polynomen bei unterschiedlichen Drücken dargestellt. Wie man aus den Kurvenverläufen erkennt, so nimmt der Abstand zwischen den Kurven bei geringeren Schallgeschwindigkeiten zu. Die Abstände zwischen den Kurven bei einer Schallgeschwindigkeit, z.B. 250 m/s nehmen von Kurven bei geringen Drücken zu Kurven mit höheren Drücken zu. Diese Abstände zwischen den Kurven können als ein Koeffizient ausgedrückt werden.In 3 the curve of polynomials at different pressures is shown. As can be seen from the curves, the distance between the curves increases at lower speeds of sound. The distances between the curves at a speed of sound, eg 250 m / s, increase from curves at low pressures to curves at higher pressures. These distances between the curves can be expressed as a coefficient.

Insgesamt erkennt man aus den Kurvenverläufen der 1 und 3 eine Tendenz des Kurvenverlaufs. Diese ist ebenfalls bei den anderen Eigenschaften zu beobachten. So zeigt 4 Kurvenverläufe mehrerer Polynome für die Viskosität eines Kohlenwasserstoffgemisches bei unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten, wobei jede der Kurven einer unterschiedlichen Temperatur aufgenommen wurde. 5 zeigt Polynome welche den Brennwert (GCV) in Abhängigkeit zur Schallgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen zeigt.Altogether one recognizes from the curves of the 1 and 3 a tendency of the curve. This is also to be observed with the other characteristics. So shows 4 Curves of several polynomials for the viscosity of a hydrocarbon mixture at different speeds of sound, each of the curves being recorded at a different temperature. 5 shows polynomials showing the calorific value (GCV) as a function of the speed of sound at different temperatures.

In einer vorteilhaften Erweiterung der Erfindung kann das vorbeschriebenen erfindungsgemäße Verfahren in ein Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Gemisches aus zumindest zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen, insbesondere gasförmigen Kohlenwasserstoffen und zumindest einem oder mehr Fremdgasen genutzt werden.In an advantageous extension of the invention, the above-described inventive method can be used in a method for determining a property of a mixture of at least two or more hydrocarbons, in particular gaseous hydrocarbons and at least one or more foreign gases.

Dieses erweiterte Verfahren umfasst dabei einen Schritt A mit einem Bereitstellen eines jeweiligen Stoffmengenanteils und/oder einer jeweiligen Konzentration des weiteren Gases bzw. des Fremdgases oder der Fremdgase im Gemisch. Dieses Bereitstellen kann z.B. durch Gasanalysatoren erfolgen, welche die Konzentration an bestimmten Gasen, z.B. N2 und CO2 ermitteln. Aus der EP 2 035 821 B1 ist beispielsweise auch der Einsatz von Luftfeuchtemessern zur Ermittlung des Wassergehaltes in einem Biogas bekannt. Entsprechende Luftfeuchtemesser können auch in der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Bei den Fremdgasen handelt es sich vorzugsweise um eines oder mehrerer Gase ausgesucht aus den folgenden Gasen: Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf. Alternativ kann der Stoffmengenanteil oder die Konzentration auch durch den Nutzer eingegeben werden. This extended method comprises a step A with a provision of a respective mole fraction and / or a respective concentration of the further gas or the foreign gas or the foreign gases in the mixture. This provision can be carried out, for example, by gas analyzers which determine the concentration of specific gases, for example N 2 and CO 2 . From the EP 2 035 821 B1 For example, the use of air moisture meters for determining the water content in a biogas is known. Corresponding air moisture meters can also be used in the present invention. The foreign gases are preferably one or more gases selected from the following gases: nitrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen sulfide, oxygen and water vapor. Alternatively, the mole fraction or concentration may also be entered by the user.

Sodann kann in einem Schritt B das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren mit den Schritten a) bis e) durchgeführt und ein unkorrigierter Wert der Eigenschaft des Gasgemisches, z.B. ein Viskositätswert, ermittelt werden.Then, in a step B, the aforementioned process according to the invention can be carried out with the steps a) to e) and an uncorrected value of the property of the gas mixture, e.g. a viscosity value can be determined.

Schließlich erfolgt die Kompensation des unkorrigierten Wertes anhand des Stoffmengenanteils des weiteren Gases und einem Polynom, welches abhängig ist von zumindest einer in Schritt a) und d) des Anspruchs 1 gemessenen Größe. Bei diesem Schritt kann es sein, dass nur eine Größe. Z.B. der Druck oder die Schallgeschwindigkeit benötigt wird.Finally, the compensation of the uncorrected value takes place on the basis of the mole fraction of the further gas and a polynomial which is dependent on at least one variable measured in step a) and d) of claim 1. At this step, it may be just one size. For example, the pressure or the speed of sound is needed.

Alternativ können diese Fremdgasanteile auch ermittelt werden. Dabei wird z.B. eine tatsächliche Messung einer der zu ermittelnden Eigenschaften des Gemisches vorgenommen, um z.B. eine andere Eigenschaft zu bestimmen. So kann man z.B. der Heizwert des Gemisches bestimmt werden, indem zunächst die Viskosität durch Messung, z.B. mit einem Coriolis-Durchflussmessgerät, ermittelt wird. Sodann wird die Differenz zwischen der durch das Polynom in Schritt e) ermittelten Viskosität und der gemessenen Viskosität ermittelt. Aus dieser Differenz kann schließlich der Anteil zumindest an einem Fremdgas im Gemisch bestimmt werden.Alternatively, these foreign gas components can also be determined. In doing so, e.g. an actual measurement of one of the properties of the mixture to be determined, made e.g. to determine another property. So you can, for example the calorific value of the mixture can be determined by first measuring the viscosity by measurement, e.g. with a Coriolis flowmeter. The difference between the viscosity determined by the polynomial in step e) and the measured viscosity is then determined. From this difference, finally, the proportion can be determined at least on a foreign gas in the mixture.

Bevorzugt ist das oder sind die Fremdgase CO, CO2, H2O, H2S, N2 und/oder O2.Preferably, the or the foreign gases are CO, CO 2 , H 2 O, H 2 S, N 2 and / or O 2 .

CO2 hat z.B. eine Viskosität von 17.4 µPa.s, Stickstoff hat eine Viskosität von 17.6 µPa.s bei 20°C und einem Druck von 1 bar.CO2 has e.g. a viscosity of 17.4 μPa.s, nitrogen has a viscosity of 17.6 μPa.s at 20 ° C and a pressure of 1 bar.

Methan weist demgegenüber eine Viskosität von 11 µPa.s, Ethan von 9,2 µPa.s und Propan von 8 µPa.s bei 20°C und einem Druck von 1 bar auf. Somit unterscheiden sich die Fremdgase in ihren Viskositäten wesentlich von denen der Kohlenwasserstoffe, so dass es nicht versehentlich zu einer Verwechslung zwischen einem Kohlenwasserstoff und einem Fremdgas kommen kann.In contrast, methane has a viscosity of 11 μPa.s, ethane of 9.2 μPa.s and propane of 8 μPa.s at 20 ° C and a pressure of 1 bar. Thus, the foreign gases differ significantly in their viscosities from those of the hydrocarbons, so that it can not be mistaken for a mix-up between a hydrocarbon and a foreign gas.

Das Bereitstellen gemäß Schritt A kann somit vorzugsweise nach den folgenden Schritten erfolgen:

  • I Messen einer der vorgenannten Eigenschaften des Gemisches und Bereitstellen eines auf die Eigenschaft bezogenen Messwertes;
  • II Durchführen des Verfahrens mit den Schritten a) bis e) unter Ermittlung eines auf die Eigenschaft bezogenen Wertes;
  • III Ermittlung einer Stoffmenge und/oder einer Konzentration an Fremdgas durch Vergleich des Messwertes aus Schritt I und des Wertes aus dem zuvor beschriebenen Schritt B; und
  • IV Korrektur des Wertes aus Schritt II unter Zuhilfenahme der ermittelten Stoffmenge und/oder Konzentration an Fremdgas bzw. des vorbeschriebenen weiteren Gases.
The provision according to step A can thus preferably take place according to the following steps:
  • I measuring one of the aforementioned properties of the mixture and providing a measured value related to the property;
  • II carrying out the process with the steps a) to e) with determination of a value related to the property;
  • III determination of a substance quantity and / or a concentration of foreign gas by comparison of the measured value from step I and the value from the previously described step B; and
  • IV Correction of the value from step II with the aid of the determined amount of substance and / or concentration of foreign gas or of the above-described further gas.

In 6 wurde eine Simulation des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt und eine unbekannte Molmasse ermittelt. Diese wurde mit der tatsächlichen Molmasse eines Kohlenwasserstoffgemisches oder eines Gemisches enthaltend das Kohlenwasserstoffgemisch und zumindest ein Fremdgas verglichen und ein prozentualer Fehler zwischen dem ermittelten Wert für die Molmasse und dem tatsächlichen Wert bei veränderlichem Druck bestimmt.In 6 a simulation of the method according to the invention was carried out and an unknown molecular weight was determined. This was compared to the actual molecular weight of a hydrocarbon mixture or a mixture containing the hydrocarbon mixture and at least one foreign gas and a percentage error between the determined value for the molecular weight and the actual variable pressure value determined.

Als Fehler wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Differenz zwischen dem im Verfahren ermittelten Wert für eine Eigenschaft und dem eigentlichen Wert für die Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches oder des Gemisches mit Fremdgasanteil bezeichnet.In the context of the present invention, the error referred to is the difference between the value determined for a property in the method and the actual value for the property of the hydrocarbon mixture or of the mixture with foreign gas content.

7a–7c zeigt Diagramme bezüglich des Fehlers bei veränderlicher Schallgeschwindigkeit. Man erkennt eine wesentlich höhere Streuung dieses Fehlers bei der Ermittlung der Viskosität als bei der Ermittlung der Dichte und/oder der Molmasse. 7a - 7c shows diagrams concerning the error at variable speed of sound. One recognizes a significantly higher dispersion of this error in the determination of the viscosity than in the determination of the density and / or the molecular weight.

Je nachdem welche Eigenschaft bestimmt werden soll, so kann der Fehler zwischen dem ermittelten Wert und dem tatsächlichen Wert eine verschieden große Streuung bei verschiedenen Schallgeschwindigkeiten aufweisen.Depending on which property is to be determined, the error between the determined value and the actual value may have a different magnitude of dispersion at different sound velocities.

Wie zuvor erwähnt, kann das Verfahren besonders vorteilhaft z.B. als Betriebsmodus in einem Ultraschall-Durchflussmessgerät implementiert sein.As mentioned above, the method can be particularly advantageous e.g. be implemented as an operating mode in an ultrasonic flowmeter.

Ein entsprechendes Ultraschall-Durchflussmessgerät, welches zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, umfasst daher zumindest einen, insbesondere zwei, Ultraschallwandler zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit eines Gemisches mit Kohlenwasserstoffen und mit ggf. weiteren Fremdgasen in einem Rohr und zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Mediums, wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät zudem ein Druck- und ein Temperaturmessgerät aufweist, und wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Auswerteeinheit aufweist, welche ausgelegt ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.A corresponding ultrasonic flow meter, which is suitable for carrying out the method according to the invention, therefore comprises at least one, in particular two, ultrasonic transducers for determining the flow rate of a mixture with hydrocarbons and with optionally further foreign gases in a tube and for determining the speed of sound of the medium, wherein the ultrasonic flowmeter also has a pressure and a temperature measuring device, and wherein the ultrasonic flowmeter has an evaluation unit which is designed to carry out a method according to one of the preceding Claims.

Ableitbare Größen, welche ebenfalls im Kontext der vorliegenden Erfindung berechnet werden können, sind z.B. der Wobbe-Index oder die Kompressibilität.Derivable quantities, which may also be calculated in the context of the present invention, are e.g. the Wobbe index or the compressibility.

9 zeigt nochmals den Verfahrensablauf. Durch ein mathematisches Modell 900 können eine Interpolation des Zusammenhangs zwischen einer ermittelten Schallgeschwindigkeit und einer der erfindungsgemäß gewünschten Eigenschaft z.B. durch ein Polynom zweiten Grades hergestellt werden. Die jeweiligen Koeffizienten des Polynoms sind allerdings temperatur- und/oder druckabhängig. 9 again shows the procedure. Through a mathematical model 900 For example, an interpolation of the relationship between an ascertained speed of sound and one of the properties desired according to the invention can be produced by a polynomial of the second degree. However, the respective coefficients of the polynomial are temperature and / or pressure dependent.

In 9 ist nur exemplarisch die Molmasse die Viskosität und die Dichte dargestellt. Es können jedoch noch andere Größen, insbesondere der Heiz- und der Brennwert auf gleiche Weise ermittelt werden. Einer Kenntnis über die Konzentrationen der Komponenten des Kohlenwasserstoffgemisches bedarf es nicht.In 9 For example, only the molecular weight, the viscosity and the density are shown. However, other variables, in particular the heating value and the calorific value, can be determined in the same way. A knowledge of the concentrations of the components of the hydrocarbon mixture is not required.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6604051 B1 [0002, 0003, 0029, 0030] US 6604051 B1 [0002, 0003, 0029, 0030]
  • EP 2035821 B1 [0032, 0065] EP 2035821 B1 [0032, 0065]

Claims (9)

Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Kohlenwasserstoffgemisches, insbesondere eines gasförmigen Kohlenwasserstoffgemisches, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert, Brennwert und/oder davon ableitbare Größen des Kohlenwasserstoffgemisches, umfassend die folgenden Schritte a) Bereitstellen eines mathematischen Modells zur Berechnung einer Interpolation; b) Messen einer Temperatur und eines Druckes des Kohlenwasserstoffgemisches in einem Behältnis und/oder Rohr; c) Ermittlung von Koeffizienten der Interpolation mit den in Schritt b) bereitgestellten Werten anhand des Modells; d) Messen einer Schallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgemisches; und e) Ermittlung der Eigenschaft des Kohlenwasserstoffgemisches anhand der Interpolation mittels der Schallgeschwindigkeit.Method for determining a property of a hydrocarbon mixture, in particular a gaseous hydrocarbon mixture, selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value, calorific value and / or quantities of the hydrocarbon mixture derivable therefrom, comprising the following steps a) providing a mathematical model for calculating an interpolation; b) measuring a temperature and a pressure of the hydrocarbon mixture in a container and / or pipe; c) determining coefficients of the interpolation with the values provided in step b) on the basis of the model; d) measuring a sonic velocity of the hydrocarbon mixture; and e) Determination of the property of the hydrocarbon mixture on the basis of the interpolation by means of the speed of sound. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interpolation zumindest ein Polynom zweiten Grades ist und Koeffizienten umfasst, die abhängig sind von der Temperatur und/oder dem Druck.A method according to claim 1, characterized in that the interpolation is at least a second degree polynomial and comprises coefficients which are dependent on the temperature and / or the pressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) und b) innerhalb eines ersten Zeitintervalls erfolgen.Method according to one of the preceding claims 1 or 2, characterized in that the steps a) and b) take place within a first time interval. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf des ersten Zeitintervalls die Schritte b), d) und e) wiederholt werden und dass der Schritt c) durchgeführt wird, sofern sich die Temperatur und/oder der Druck geändert hat.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the expiration of the first time interval, the steps b), d) and e) are repeated and that the step c) is carried out, provided that the temperature and / or the pressure has changed. Verfahren zur Ermittlung einer Eigenschaft eines Gemisches aus zumindest zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen, insbesondere gasförmigen Kohlenwasserstoffen, und zumindest einem nicht der Klasse der Kohlenwasserstoffe zugeordnetem weiteren Gas, ausgesucht aus zumindest einer der folgenden Eigenschaften: Molmasse, Viskosität, Dichte, Heizwert und/oder Brennwert des Messmediums gekennzeichnet nach den Folgenden Schritten: A Bereitstellen des Stoffmengenanteils und/oder der Konzentration des weiteren Gases im Gemisch und B Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Ermittlung eines unkorrigierten Wertes der Eigenschaft; C Korrektur des unkorrigierten Wertes anhand des Stoffmengenanteils des weiteren Gases und einem Polynom, welches abhängig ist von zumindest einer in Schritt b) und d) des Anspruchs 1 gemessenen Größe.Method for determining a property of a mixture of at least two or more hydrocarbons, in particular gaseous hydrocarbons, and at least one further gas not assigned to the class of hydrocarbons selected from at least one of the following properties: molecular weight, viscosity, density, calorific value and / or calorific value of Measuring medium marked according to the following steps: A Providing the mole fraction and / or the concentration of the other gas in the mixture and B carrying out the method according to claim 1 with determination of an uncorrected value of the property; C Correction of the uncorrected value on the basis of the molar fraction of the further gas and a polynomial which is dependent on at least one measured in step b) and d) of claim 1 size. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen gemäß Schritt A durch eine Eingabe eines vorbekannten Wertes erfolgt.A method according to claim 5, characterized in that the provision according to step A is carried out by an input of a previously known value. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen gemäß Schritt A nach den folgenden Schritten erfolgt: I Messen einer gemäß Anspruch 5 zu ermittelnden Eigenschaft des Gemisches und Bereitstellen eines auf die Eigenschaft bezogenen Messwertes; II Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Ermittlung eines auf die Eigenschaft bezogenen Wertes; III Ermittlung einer Stoffmenge und/oder einer Konzentration des weiteren Gases durch Vergleich des Messwertes aus Schritt I und des Wertes aus Schritt B des Anspruchs 5; und IV Korrektur des in Schritt II ermittelten Wertes unter Berücksichtigung der in Schritt III ermittelten Stoffmenge und/oder der Konzentration des weiteren Gases.A method according to claim 5, characterized in that the provision according to step A according to the following steps: I measuring a to be determined according to claim 5 property of the mixture and providing a measured value related to the property; II carrying out the method according to claim 1 with determination of a value related to the property; III determining a substance quantity and / or a concentration of the further gas by comparing the measured value from step I and the value from step B of claim 5; and IV correction of the value determined in step II, taking into account the amount of substance determined in step III and / or the concentration of the further gas. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt I und II genannte Eigenschaft die Viskosität des Gemisches ist.A method according to claim 7, characterized in that the property mentioned in step I and II is the viscosity of the mixture. Ultraschall-Durchflussmessgerät umfassend zumindest einen, insbesondere zwei, Ultraschallwandler zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr und zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Mediums, wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät zudem ein Druck- und ein Temperaturmessgerät aufweist, und wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät eine Auswerteeinheit aufweist, welche ausgelegt ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Ultrasonic flowmeter comprising at least one, in particular two, ultrasonic transducer for determining the flow rate of a medium in a tube and for determining the speed of sound of the medium, wherein the ultrasonic flowmeter also has a pressure and a temperature measuring device, and wherein the ultrasonic flowmeter an evaluation unit which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.
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