DE102016201350B4

DE102016201350B4 - Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE102016201350B4
Application number: DE102016201350.5A
Authority: DE
Inventors: Torsten Reitmeier; Stephan Heinrich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-01-30
Also published as: WO2017129505A1; DE102016201350A1

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere voneinander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Korrelationsrechnungen benutzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere voneinander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird.
Zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, beispielsweise zur Messung der Qualität von Erdgas, ist es entscheidend, möglichst selektiv die Hauptkomponenten des Gasgemisches quantitativ zu erfassen. Bei Erdgas geht es hierbei z. B. um die Komponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO₂ und N₂. Speziell die nichtbrennbaren Gase CO₂ und N₂ spielen bei der Verbrennung hinsichtlich Klopffestigkeit eine wichtige Rolle. Da diese selektive Messung nur sehr schwierig und mit einem erheblichen Messaufwand möglich ist, werden häufig korrelative Techniken angewandt, mit denen aus einzelnen voneinander unabhängigen physikalischen Größen, wie Dichte, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität oder Viskosität, die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches ermittelt wird.
Andere Verfahren sind Infrarotverfahren mit einer teuren und wartungsintensiven Absorptionsmessung.
Die Erfindung geht von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Art zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine besonders hohe Genauigkeit auszeichnet.
Aus der EP 3 021 117 A1 ist ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Bestimmung von spezifischen Größen für die Gasbeschaffenheit bekannt.
Die DE 601 32 709 T2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der wirksamen Zusammensetzung von Kohlenwasserstoffgasen.
Die DE 199 44 047 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Partikel- und Konzentrations- bzw. Dichtemessung in Flüssigkeiten und Gasen oder Fluiden mit undefiniertem Aggregatszustand durch Ultraschall.
Die DE 692 31 977 T2 offenbart eine Vorrichtung zur verbrennungslosen Messung der Qualität von gasförmigem Brennstoff.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass zusätzlich der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Korrelationsrechnungen benutzt wird.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, durch die Zurverfügungstellung einer weiteren physikalischen Größe des zu messenden Gasgemisches die Genauigkeit des Ergebnisses der durchgeführten Korrelationsrechnungen zu verbessern, um auf diese Weise die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches auf besonders genaue Weise ermitteln zu können. Dieser Weg wird über die Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten des Gasgemisches gegangen. Es ist bekannt, dass die Absorption einer Schallwelle in Gasen durch den Absorptionskoeffizienten α gemäß folgender Gleichung gekennzeichnet ist: A_x = A₀·e^–αx (A_x stellt die Amplitude der Schallwelle nach einem Zurücklegen des Wegs x dar, A₀ stellt die Anfangsamplitude der in das Gas eingebrachten Schallwelle dar”).
In einem Gasgemisch ergibt sich der Absorptionskoeffizient α als eine Mischung aus den einzelnen Absorptionskoeffizienten der Gasbestandteile.
Erfindungsgemäß wird der Schallabsorptionskoeffizient für das gesamte Gasgemisch ermittelt, und dieser Wert wird für die entsprechenden Korrelationsrechnungen eingesetzt. Mithilfe sämtlicher gemessenen und ermittelten Größen kann dann durch geeignete Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt werden, d. h. es können selektiv die Anteile der einzelnen Komponenten ermittelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der gemeinsame Schallabsorptionskoeffizient des gesamten Gasgemisches ermittelt, d. h. es wird die Gesamtdämpfung des Gemisches bestimmt.
Vorzugsweise werden als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen. Aus diesen drei physikalischen Größen wird in Verbindung mit der Bestimmung des Absorptionskoeffizienten des Gasgemisches (Gesamtdämpfung desselben) über eine geeignete Korrelationsrechnung die Gaszusammensetzung bestimmt.
Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Gasgemisch Verwendung, das einen Gehalt an CO₂ aufweist. Insbesondere wird dabei der CO₂-Gehalt in Erdgas ermittelt, da CO₂ bei der Verbrennung von Erdgas eine wichtige Rolle spielt. Es ist somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem relativ geringen Messaufwand und relativ hoher Genauigkeit möglich, den CO₂-Gehalt in Erdgas zu bestimmen.
Ferner kann eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vorgesehen sein, die einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung von physikalischen Größen und einen akustischen Sensor umfasst. Mithilfe des akustischen Sensors wird der Schallabsorptionskoeffizient des entsprechenden Gasgemisches bestimmt, indem die erzeugten Mehrfachreflexionen ausgewertet werden. Der ferner verwendete Sensor oder die ferner verwendeten Sensoren dienen zur Ermittlung der voneinander unabhängigen physikalischen Größen, die die Basis für die durchgeführten Korrelationsrechnungen bilden.
Insbesondere finden dabei ein Sensor oder Sensoren Verwendung, die die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches messen. Daher werden bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zwei Sensoren benötigt, nämlich ein thermischer Sensor und ein akustischer Sensor, mittels denen die entsprechenden Werte für die Korrelationsrechnungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptionskoeffizient sowie die erwähnten anderen physikalischen Größen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.
Um die Qualität von Erdgas zu bestimmen, wurden die Hauptkomponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO₂ und N₂ des entsprechenden Gasgemisches quantitativ erfasst. Hierbei wurden mithilfe eines ersten Sensors die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches ermittelt. Mithilfe eines zweiten Sensors wurde eine Laufzeitmessung durchgeführt, um die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch zu ermitteln.
Des Weiteren wurde mithilfe des vorgesehenen akustischen Sensors der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt, indem das entsprechende Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt wurde. Durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen wurde der Schallabsorptionskoeffizient, d. h. die Gesamtdämpfung, des Gemisches ermittelt.
Die erhaltenen Werte, nämlich Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptionskoeffizient, wurden dann zur Durchführung von Korrelationsrechnungen verwendet, um die Zusammensetzung des Erdgases nach quantitativen Anteilen zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass durch Hinzufügung des ermittelten Schallabsorptionskoeffizienten ein besonders genaues Ergebnis in Bezug auf die Zusammensetzung erzielt werden konnte.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere voneinander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Korrelationsrechnungen benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-Gehalt eines CO₂ enthaltenden Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der CO₂-Gehalt in Erdgas ermittelt wird.