DE102023121934A1

DE102023121934A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasdichtemessung mittels Messung der Permittivität sowie Verwendungen

Info

Publication number: DE102023121934A1
Application number: DE102023121934.0A
Authority: DE
Inventors: Renè Koster; Peter Dias-Lalcaca
Original assignee: TRAFAG AG
Current assignee: TRAFAG AG
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2023-08-16
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Um mit einfachen robusten Mitteln eine Gasdichtemessung durchführen zu können, schafft die Erfindung ein Verfahren zur Gasdichtemessung in einem Messvolumen (12), umfassend:a) Messen der Permittivität des Gases (16) in dem Messvolumen (12) undb) Bestimmen der Gasdichte anhand der Permittivität des Gases (12). Eine bevorzugte Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens umfasst:eine Messkammer (14) mit zu messendem Gas (16),einen Kondensator (5) mit in oder an der Messkammer (14) fest angeordneten Elektroden (18), wobei zwischen den Elektroden (18) zumindest ein Teilbereich des Messvolumens (12) ausgebildet ist, undeine Auswerteeinheit (20), die dazu ausgebildet ist, die Gasdichte aus der von der Gasdichte zwischen den Elektroden (18) abhängigen Kapazität des Kondensators (5) zu bestimmen und ein die Gasdichte anzeigendes Ausgangssignal (26) abzugeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasdichtemessung. Außerdem betrifft die Erfindung einige Verwendungen eines solchen Verfahrens oder einer solcher Vorrichtung.
Zum technologischen Hintergrund und für Begriffsdefinitionen wird auf folgende Literaturstellen verwiesen:

[1] Wikipedia - Dichte, abgerufen am 19.08.2022 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Dichte
[2] Wikipedia - Biegeschwinger (Gerät), abgerufen am 19.08.2022 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Biegeschwinger_(Ger%C3%A4t)
[3] US 3 523 446 A
[4] „Überwachung der Isoliergasdichte - Bewährtes Fachwissen für die Stromnetzbranche“; Firmendruckschrift der Trafag AG, abgerufen am 19.08.2022 unter https://media.trafag.com/literature/brochure/H70558a_DE_Gas_Density_B rochure_hires.pdf
[5] US 3 831 430 A1
[6] WO 2009/003966 A1
[7] GB 1 385 686 A
[9] Wikipedia - Permittivität, abgerufen am 19.08.2022 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Permittivit%C3%A4t
[10] Wikipedia - Kippschwinger, abgerufen am 19.08.2022 unter https://de.wikipedia.org/wiki/Kippschwinger
[11] Physikalische Elektronik und Messtechnik, Vorlesungsskript, Bachelor Physik Othmar Marti und Alfred Plettl, Institut für Experimentelle Physik, Universität Ulm; Kapitel 4.2.1 Frequenzmessung, abgerufen am 19.08.2022 unter http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/phys_elektrse16.html

Es gibt viele Anwendungen, bei welchem der Gasdichtedruck eines bestimmten Gases in einem Raum, wie Behälter, Druckzylinder oder ähnlichem gemessen wird. Ein gutes Beispiel ist die Überwachung von Hochspannungsschaltern, bei welchen das abgefüllte Isolationsgas überwacht werden muss. Für weitere Einzelheiten wird auf die Literaturstelle [4] verwiesen.
Eine gängige Methode zur Ermittlung der Gasdichte wird mittels Druck- und Temperaturmessung realisiert, wobei aus dem Druck und der Temperatur die Dichte des Gases berechnet wird. Druck wird meist mittels Auslenkung einer Membran gemessen. Die Auslenkung und somit Bewegung der Membran kann auch kapazitiv gemessen werden, indem die Membran selbst als Elektrode eines Kondensators dient oder an eine bewegliche Elektrode eines Kondensators angeschlossen wird. Die Kapazität des Kondensators ist wesentlich von dem Abstand zwischen den Elektroden abhängig, so dass sich die Kapazität bei entsprechender Bewegung einer der Elektroden ändert.
Weitere Verfahren und Vorrichtungen zur Gasdichtemessung sind in den Literaturstellen [2] bis [7] beschrieben.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein eine genaue Gasdichtemessung mit einfacheren robusten Mitteln zu ermöglichen.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Verfahren zur Gasdichtemessung nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Gasdichtemessung nach dem Nebenanspruch sowie Verwendungen gemäß dem weiteren Nebenanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Gasdichtemessung in einem Messvolumen, umfassend:

a) Messen der Permittivität des Gases in dem Messvolumen und
b) Bestimmen der Gasdichte anhand der Permittivität des Gases.

Das Verfahren beschränkt sich auf Dichtemessungen in Gasen bzw. in Gasgemischen (d.h. keine Flüssigkeiten).
Das Gas bzw. die Komponenten des Gemischs müssen bekannt sein, z.B. das Molekulargewicht und der Zusammenhang rho =f(epsilon_r).
Bei einigen Ausführungsformen wird der kapazitive Gasdichtesensor zusammen mit einem Druck- und einem Temperatursensor (im selben Medium) eingesetzt werden (rho-p-T-Applikation). Dies erlaubt die Überwachung der Zusammensetzung zweier Gaskomponenten oder eines Gases gegenüber einer Gasgruppe. Je grösser der molekulare Gewichtsunterschied ist (Einzelgas gegen Einzelgas, oder Einzelgas gegen Gasgruppe) desto genauer können die Anteile der Komponenten bestimmt werden.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für rho-Sensor (und ggf. für den rho-p-T-Sensor) sind die Überwachung von gasisolierten Schaltkammern in Hoch- und Mittelspannungsanlagen in Stromnetzen. Demnach ist bevorzugt, dass das Messvolumen eine gasisolierte Schaltkammer in einer Hochspannungsanlage oder einer Mittelspannungsanlage ist oder damit in Verbindung steht.
Ein zweites Anwendungsgebiet für rho-p-T ist die Überwachung von Brenngas Gemischen (z.B. H2 und O2) oder von Schweissgas Gemischen.
Ein drittes Anwendungsgebiet ist die Prozessüberwachung oder die Reinheitsüberwachung von reinen Gasen. Z.B. kann überwacht werden, ob in einem Prozess das richtige Gas verwendet wird oder ob ein Gas einen minimalen Reinheitsgrad aufweist.
Ein viertes Anwendungsgebiet ist ein Überdruck sicherer Drucksensor (rho-T Applikation). Drucke welchen den Kondensator nicht quetschen würden den Sensor nicht beschädigen.
Vorzugsweise umfasst Schritt a):

a0) Messen der Kapazität eines Kondensators, zwischen dessen Elektroden sich zumindest ein Teil des Messvolumens befindet.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a) umfasst:

a1) Bereitstellen eines Schwingkreises mit einem Kondensator, zwischen dessen Elektroden sich zumindest ein Teil des Messvolumens befindet,
a2) Ermitteln einer charakteristischen Frequenz des Schwingkreises und
a3) Bestimmen der Permittivität des Gases zwischen den Elektroden aus der ermittelten charakteristischen Frequenz.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren:

c) Messen der Temperatur des Gases in dem Messvolumen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren:

d) Kompensieren einer Temperaturabhängigkeit des Schwingkreises mittels der gemessenen Temperatur.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a2) umfasst:

a2.1) Bereitstellen eines RC-Schmitt-Trigger-Oszillators mit dem Kondensator als Kapazität und Bestimmen der Frequenz des Ausgangs des RC-Schmitt-Trigger-Oszillators.

Es ist bevorzugt, dass Schritt a2) umfasst:

a2.2) Erzeugen einer Referenzfrequenz mittels eines Referenz-Taktgebers und Bestimmung der charakteristischen Frequenz mittels der Referenz.

Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:

b1) Erzeugen eines die Gasdichte angebenden Ausgangssignals aus einem an dem Schwingkreis abgegriffenen Messsignal, einem die Temperatur in dem Messvolumen angebenden Temperatursignal und einer Referenzfrequenz.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Gasdichtemessung umfassend:

eine ein Messvolumen umfassende Messkammer, in die ein zu messendes Gas enthalten oder einleitbar ist,
einen Kondensator mit in oder an der Messkammer fest angeordneten Elektroden, wobei zwischen den Elektroden zumindest ein Teilbereich des Messvolumens ausgebildet ist, und
eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, die Gasdichte aus der von der Gasdichte zwischen den Elektroden abhängigen Kapazität des Kondensators zu bestimmen und ein die Gasdichte anzeigendes Ausgangssignal abzugeben.

Die Anwendung der Vorrichtung beschränkt sich auf Dichtemessungen in Gasen bzw. in Gasgemischen (d.h. keine Flüssigkeiten). Das Gas bzw. die Komponenten des Gemischs müssen bekannt sein, z.B. das Molekulargewicht und der Zusammenhang rho =f(epsilon_r).
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Gasdichtemessung zusammen mit einem Drucksensor und einem Temperatursensor (im selben Medium) (rho-p-T-Applikation). Dies erlaubt die Überwachung der Zusammensetzung zweier Gaskomponenten oder eines Gases gegenüber einer Gasgruppe. Je grösser der molekulare Gewichtsunterschied ist (Einzelgas gegen Einzelgas, oder Einzelgas gegen Gasgruppe) desto genauer können die Anteile der Komponenten bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Gasdichtemessung zur Überwachung von gasisolierten Schaltkammern in Hoch- und Mittelspannungsanlagen in Stromnetzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Gasdichtemessung zur Überwachung von Brenngas Gemischen (z.B. H2 und O2) oder von Schweissgas-Gemischen.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Gasdichtemessung zur Prozessüberwachung oder zur Reinheitsüberwachung von reinen Gasen.
Z.B. kann überwacht werden ob in einem Prozess das richtige Gas verwendet wird oder ob ein Gas einen minimalen Reinheitsgrad aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Gasdichtemessung als Überdruck sicherer Drucksensor (rho-T Applikation). Drucke welchen den Kondensator nicht quetschen, würden den Sensor nicht beschädigen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen RC-Schwingkreis, dessen Kapazitätsglied C zumindest teilweise durch den Kondensator gebildet wird, wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, eine charakteristische Frequenz des RC-Schwingkreises zu messen und daraus das Ausgangssignal zu erzeugen.
Es ist bevorzugt, dass der RC-Schwingkreis Teil eines RC-Schmitt-Trigger-Oszillators ist.
Es ist bevorzugt, dass ein Referenz-Taktgeber zur Erzeugung einer Referenzfrequenz vorgesehen ist.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, mittels der Referenzfrequenz die Frequenz eines durch den RC-Schmitt-Trigger-Oszillator abgegebenen Oszillatorsignals zu ermitteln und daraus das Ausgangssignal zu erzeugen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Temperaturfühler in dem Messvolumen.
Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, mittels eines Temperatursignals von dem Temperaturfühler eine Temperaturkompensation durchzuführen und ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal zu erzeugen.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, das Verfahren gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen durchzuführen.
Vorzugsweise wird zum Durchführen des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß einer der hier angegebenen Ausgestaltungen verwendet.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Steuerung, die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen anzusteuern.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Computerprogramm, enthaltend Steueranweisungen, die die Vorrichtung gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen veranlassen, das Verfahren gemäß einer der voranstehenden Ausgestaltungen durchzuführen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine kapazitive Gasdichtemessung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich bei zunehmendem Dichtedruck auch die Permittivität (auch Dielektrizitätskonstante (Dielektrikum) genannt, siehe Literaturstelle [9]) ändert.
Wenn sich z.B. das Gas zwischen zwei elektrisch leitenden Platten (Metallen) - Beispiel für Elektroden - befindet, entsteht ein gasdichteabhängiger kapazitiver elektrischer Kondensator. Bestimmt man - über die Kapazität - die Permittivität des Gases zwischen den Elektroden, dann lässt sich daraus die Gasdichte ableiten. Zu Kapazitätsmessung lassen sich alle bekannten Verfahren einsetzen. Besonders genau lässt sich diese über die Messung von Frequenzen ermitteln, beispielsweise, indem die charakteristische Frequenz (Resonanzfrequenz) eines mit dem gasdichteabhängigen Kondensator gebildeten Schwingkreis (RC-Schwingkreis) ermittelt wird. Vorteilhaft wird hierzu ein RC-Schwingkreis-Oszillator, insbesondere ein RC-Schmitt-Trigger-Oszillator, nähere Einzelheiten siehe Literaturstelle [10], mit dem gasdichteabhängigen Kondensator aufgebaut.
Über Messung der Frequenz des Oszillatorsignals lässt sich die von der Anzahl der Ladeträger zwischen den Elektroden und damit von der Gasdichte abhängige Permittivität und damit wiederrum die Gasdichte bestimmen. Anders als bei kapazitiven Drucksensoren bleibt dabei die relative Lage der Elektroden konstant. Vorzugsweise sind die Elektroden fest in oder an einer das Messvolumen enthaltenden Messkammer installiert.
Vorzugsweise wird der gasdichteabhängige Kondensator in einen einfachen RC Schmitt-Trigger Oszillator Schwingkreis eingebunden, und dadurch wird ein gasdichteabhängiges elektrisches digitales Frequenzsignal erzeugt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung misst ein zusätzlicher elektrischer Temperaturfühler die Gastemperatur und dient einerseits zur Temperaturkompensation des Kondensatorschwingkreises und anderseits als allgemeine Gastemperaturinformation.
Vorzugsweise ist auch ein Referenz-Taktgeber ein Bestandteil der Signalauswertung - also der Auswerteeinheit.
Vorzugsweise werden wenigstens die drei Signale - Frequenzsignal vom Schwingkreis/Oszillator, Temperatursignal sowie Taktsignal (Referenzfrequenz) - von einer digitalen Recheneinheit (Ausführungsbeispiel für die Auswerteeinheit) verrechnet und über eine Ausgabeschnittstelle als analoges und/oder digitales Signal, beispielsweise an ein Kontrollzentrum weitergegeben.
Mögliche Verwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung zur Gasdichtemessung sind in der Literaturstelle [4] wiedergegeben.
Die Messkammer hat vorzugsweise einen Gasanschluss zum Anschließen an eine Anlage, bei der eine Gasdichte im Inneren zu messen ist.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

1 eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Gasdichtemessung.

1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Gasdichtemessung. Die Vorrichtung 10 weist eine Messkammer 14 auf, in der ein Messvolumen 12 gebildet ist. In dem Messvolumen 12 ist ein zu messendes Gas 16 enthalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Messkammer 14 einen nicht dargestellten Gasanschluss auf, mit dem sie an eine mit Gas befüllte Anlage, die hinsichtlich Gasdichte zu überwachen ist, anschließbar ist, so dass das Gas 16, dessen Gasdichte zu messen ist, in die Messkammer 14 einleitbar ist.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Messkammer 14 als gasbefüllter Behälter, Zylinder oder Raum 1 ausgebildet.
Die Vorrichtung 10 weist weiter einen Kondensator 2 auf. Der Kondensator 2 hat in oder an der Messkammer 14 fest angeordnete Elektroden 16, wobei zwischen den Elektroden 16 zumindest ein Teilbereich des Messvolumens 12 ausgebildet ist.
Beispielsweise ist der Kondensator 2 ein gasumfüllter oder gasausgesetzter, gasdichteabhängiger elektrischer Kondensator. Die Elektroden 18 können z.B. als Platten (aus Metall oder einem anderen elektrisch gut leitenden Material) ausgebildet sein, die von dem Gas 16 umhüllt sind.
Weiter weist die Vorrichtung 10 eine Auswerteeinheit 20 auf, die dazu ausgebildet ist, die Gasdichte aus der von der Gasdichte zwischen den Elektroden 18 abhängigen Kapazität des Kondensators 2 zu bestimmen und ein die Gasdichte anzeigendes Ausgangssignal 26 abzugeben. Zur Ausgabe des Ausgangssignals 26 weist die Auswerteeinheit 20 eine digitale und/oder analoge Ausgangsschnittstelle 8 auf.
Die Auswerteeinheit 20 ist als Elektronikeinheit 4 ausgebildet.
Die Auswerteeinheit 20 ermittelt bei einigen Ausführungsformen die Gasdichte ρ mittels der folgenden Gleichung: $ρ = \frac{E}{A_{ε}^{o}} [1 - \frac{B_{ε}}{A_{ε}^{o}} (\frac{E}{A_{ε}^{o}}) + \frac{2 B - A_{ε}^{o} C_{ε}}{{(A_{ε}^{o})}^{2}} {(\frac{E}{A_{ε}^{o}})}^{2} + \dots]$
Dabei stellt E die Clausius Mosetti Beziehung dar: $E = \frac{ε_{r} - 1}{ε_{r} + 2} = A_{ε}^{o} ρ + B_{ε} ρ^{2} + C_{ε} ρ^{3} + \dots$
ε_r ist die relative Permittivität, $A_{ε}^{o}$
ist die molare Polarisation für ideales Gas, B_ε ist der zweite dielektrisch-viriale Koeffizient und C_ε ist der dritte dielektrisch-viriale Koeffizient. Für ein polares Molekül mit einem Dipolmoment µ, lässt sich $A_{ε}^{o}$
als Debye-Gleichung angeben: $A_{ε}^{o} = \frac{N_{A}}{3 ε_{0}} (α + \frac{μ^{2}}{3 k_{B} T})$
Dabei ist N_A die Avogadro-Zahl, ε₀ die Permittivität im freien Raum, α die molekulare Polarisierbarkeit und k_B die Boltzmannkonstante und T die Temperatur. Die entsprechenden Faktoren sind bei dem bekannten Gas, dessen Dichte zu messen ist, bekannt.
Die Vorrichtung 10 weist gemäß einigen Ausführungsformen einen RC-Schwingkreis 22 auf, dessen Kapazitätsglied C zumindest teilweise durch den Kondensator 2 gebildet wird. Die Auswerteeinheit 20 ist dazu ausgebildet, eine charakteristische Frequenz des RC-Schwingkreises 22 zu messen und daraus das Ausgangssignal 26 zu erzeugen.
Hierzu weist die Auswerteeinheit 20 gemäß einigen Ausführungsformen die an den Kondensator 2 anzuschließenden weiteren Komponenten des RC-Schwingkreises 22, insbesondere einen Widerstand R auf.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist der RC-Schwingkreis 22 Teil eines RC-Schmitt-Trigger-Oszillators(-Schwingkreises) 5, der durch den Kondensator 2 und Elektronikkomponenten in der Elektronikeinheit 4 gebildet wird.
Weiter weist die Auswerteeinheit 20 eine Recheneinheit 6 oder Logik mit entsprechend geladenem Computerprogramm auf. Die Recheneinheit 6 bildet eine Steuerung 24 mit Anweisungen zum Durchführen der Gasdichtemessung. Die Recheneinheit 6 ist beispielsweise als ASIC oder als analoge Recheneinheit oder als digitaler Mikrocontroller ausgebildet.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung weiter einen Temperaturfühler 3 in dem Messvolumen 12 auf.
Die Auswerteeinheit 20 ist dazu ausgebildet, mittels eines Temperatursignals 32 von dem Temperaturfühler 3 eine Temperaturkompensation durchzuführen und das temperaturkompensierte Ausgangssignal 26 zu erzeugen.
Gemäß einigen Ausführungsformen ist ein Referenz-Taktgeber 7 zur Erzeugung einer Referenzfrequenz 30 vorgesehen. Die Auswerteeinheit 20 ist dazu ausgebildet, mittels der Referenzfrequenz 30 die Frequenz eines durch den RC-Schmitt-Trigger-Oszillator 5 abgegebenen Oszillatorsignals 28 zu ermitteln und daraus das Ausgangssignal 26 zu erzeugen. Beispielsweise wird die Frequenz des Oszillatorsignals wie in der Literaturstelle [11] angegeben mittels der Referenzfrequenz 30 des Referenz-Taktgebers 7 gemessen.
Die Vorrichtung 10 ist zum Durchführen des folgenden Verfahrens zur Gasdichtemessung ausgebildet.
Das Verfahren zur Gasdichtemessung umfasst folgende Schritte:

a) Messen der Permittivität des Gases (16) in dem Messvolumen (12) und
b) Bestimmen der Gasdichte anhand der Permittivität des Gases (16).

Nähere Einzelheiten zur Permittivität sind in der Literaturstelle [9] angegeben. Die Permittivität hängt von der Anzahl der Ladungsträger und somit auch von der Gasdichte ab. Über die Bestimmung der Permittivität eines Gases 16 in dem Messvolumen 12 lässt sich somit die Gasdichte in dem Messvolumen 12 bestimmen.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 wie oben beschrieben zur Permittivitätsmessung herangezogen werden. Um die Werte des Ausgangssignals 26 mit bestimmten Gasdichtewerten zu korrelieren, kann jede konkrete Vorrichtung 10 nach Herstellung beispielsweise mittels bekannter Gasdichtemessungen (siehe [2] bis [7]) kalibriert werden, so dass das Ausgangssignal 26 gleich auch als Anzeige eines Gasdichtewerts ausgegeben werden kann.
Bei einem konkreten, mit der Vorrichtung 10 gemäß 1 durchgeführten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird wie folgt vorgegangen:

In dem gasgefüllten Raum 1 wird durch den gasumfüllten elektrischen Kondensator 2 eine gasdichteabhängige Kapazitätsänderung erzeugt. In der Elektronikeinheit 4 wird die Kapazitätsänderung in dem RC-Schmitt-Trigger-Oszillator-Schwingkreis 5 eingebunden, welcher eine gasdichteabhängige Frequenzänderung ausgibt, die der Recheneinheit, Logik 6 zugefügt wird. Zur Temperaturkompensation und allgemeinen Gastemperaturinformation befindet sich im gasbefüllten Raum 1 auch der Temperaturfühler 3, wobei die Temperatursignaländerung ebenfalls der Recheneinheit 6 zugeführt wird. Der Referenz-Taktgeber 7 dient zur Referenzierung des gasdichteabhängiges RC-Schmitt-Trigger-Oszillator-Schwingkreis 5, und sein Ausgang wird auch der Recheneinheit, Logik 6 zugeführt. Die Recheneinheit, Logik 6 berechnet/wandelt die variablen Signalgrößen von Dichtefrequenz (des Oszillatorsignals 28), Referenzfrequenz 30 und Temperatursignal 32 in ein kompensiertes Ausgangsnutzsignal -Ausgangssignal 26 - um, welches an der digitalen/analogen Ausgabeschnittstelle 8 ausgegeben wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt eine Gasdichtemessung eines gasbefüllten Behälters, Raums 1, Zylinders, etc. durch Gasdichtemessung mittels eines elektrischen kapazitiven Kondensators 2 als Gasdichtemessfühlers.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein in einem beliebigen (bekannten) Gas 16 befindlicher offener elektrischer kapazitiver Kondensator 2 verwendet. Vorteilhaft wird die gasdichteabhängige Dielektrizitätskonstante (Dielektrikum) - Permittivität - zur Gasdichtemessung herangezogen. Mit anderen Worten wird eine gasdichteabhängige Kapazität gemessen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Kondensator 2 mit zwei oder mehreren Platten als Elektroden ausgebildet.
Die Kapazitätsmessung kann bei einigen Ausführungsformen auf im Stand der Technik auf anderen Gebieten für Kapazitätsmessung bekannte Weise erfolgen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Temperaturmessfühler 3 im Gas 16 angeordnet und ist zur Gastempermessung zur Temperaturkompensation des RC-Schmitt-Trigger-Oszillators 5 und/oder zur allgemeinen Temperaturinformation ausgebildet.
Bei einigen Ausführungsformen ist ein RC-Schmitt-Trigger-Oszillator-Schwingkreis 5 zur Erzeugung eines gasdichteabhängigen digitalen elektrischen Frequenzsignales vorgesehen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Referenz Taktgeber 7 zum Bereitstellen einer Referenzfrequenz für die Recheneinheit, Logik 6 vorgesehen.
Ausführungen der Erfindung beruhen auf der Erkenntnis, dass sich bei zunehmendem Dichtedruck auch die Dielektrizitätskonstante, Dielektrikum - Perm ittivität - ändert.
Wenn sich nun das Gas 16 zwischen Elektroden 18, wie z.B. zwei elektrisch leitenden Platten (Metallen), befindet, entsteht ein gasdichteabhängiger kapazitiver, elektrischer Kondensator 2. Wird dieser Kondensator 2 in einen einfachen Schwingkreis, wie z.B. in einem RC-Schmitt-Trigger-Oszillator-Schwingkreis 5 eingebunden, wird ein gasdichteabhängiges digitales Frequenzsignal erzeugt. Zur Temperaturkompensation kann ein Temperatursensor im Gasraum eingebunden werden. Ein Referenz-Taktgeber befindet sich vorzugsweise ebenfalls auf der Elektronik zur Signalauswertung. Diese drei Signale werden von einer digitalen Recheneinheit, Logik 6 verrechnet und über eine Ausgabeschnittstelle 8 als analoges oder digitales Ausgangsignal 26 z.B. an ein Kontrollzentrum weitergegeben.
Die Anwendung beschränkt sich auf Dichtemessungen in Gasen bzw. in Gasgemischen (d.h. keine Flüssigkeiten).
Das Gas bzw. die Komponenten des Gemischs müssen bekannt sein, z.B. das Molekulargewicht und der Zusammenhang rho =f(epsilon_r).
Der kapazitive Gasdichtesensor kann zusammen mit einem Druck- und einem Temperatursensor (im selben Medium) eingesetzt werden (rho-p-T-Applikation). Dies erlaubt die Überwachung der Zusammensetzung zweier Gaskomponenten oder eines Gases gegenüber einer Gasgruppe. Je grösser der molekulare Gewichtsunterschied ist (Einzelgas gegen Einzelgas, oder Einzelgas gegen Gasgruppe) desto genauer können die Anteile der Komponenten bestimmt werden.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für rho-Sensor (und ggf. für den rho-p-T-Sensor) sind die Überwachung von gasisolierten Schaltkammern in Hoch- und Mittelspannungsanlagen in Stromnetzen.
Ein zweites Anwendungsgebiet für rho-p-T ist die Überwachung von Brenngas Gemischen (z.B. H2 und O2) oder von Schweissgas Gemischen.
Ein drittes Anwendungsgebiet ist die Prozessüberwachung oder die Reinheitsüberwachung von reinen Gasen. Z.B. kann überwacht werden, ob in einem Prozess das richtige Gas verwendet wird oder ob ein Gas einen minimalen Reinheitsgrad aufweist.
Ein viertes Anwendungsgebiet ist ein Überdruck sicherer Drucksensor (rho-T Applikation). Drucke welchen den Kondensator nicht quetschen würden den Sensor nicht beschädigen.
Bezugszeichenliste:

1: gasbefüllter Raum, Behälter, etc.
2: Kondensator
3: Temperaturfühler
4: Elektronikeinheit
5: RC-Schmitt-Trigger-Oszillator-Schwingkreis
6: Recheneinheit (Logik, z.B. ASIC, Analog/Digital, Mikrocontroller)
7: Referenz-Taktgeber
8: digitale, analoge Ausgangsschnittstelle
10: Vorrichtung
12: Messvolumen
14: Messkammer
16: Gas
18: Elektroden
20: Auswerteeinheit
22: RC-Schwingkreis
24: Steuerung
26: Ausgangssignal
28: Oszillatorsignal
30: Referenzfrequenz
32: Temperatursignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3523446 A [0002]
US 3831430 A1 [0002]
WO 2009/003966 A1 [0002]
GB 1385686 A [0002]

Claims

Verfahren zur Gasdichtemessung in einem Messvolumen (12), umfassend: a) Messen der Permittivität des Gases (16) in dem Messvolumen (12) und b) Bestimmen der Gasdichte anhand der Permittivität des Gases (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) umfasst: a0) Messen der Kapazität eines Kondensators (2), zwischen dessen Elektroden (18) sich zumindest ein Teil des Messvolumens (12) befindet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) umfasst: a1) Bereitstellen eines Schwingkreises (22) mit einem Kondensator (2), zwischen dessen Elektroden (18) sich zumindest ein Teil des Messvolumens (12) befindet, a2) Ermitteln einer charakteristischen Frequenz des Schwingkreises (22) und a3) Bestimmen der Permittivität des Gases (16) zwischen den Elektroden (18) aus der ermittelten charakteristischen Frequenz.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch c) Messen der Temperatur des Gases (16) in dem Messvolumen (12).
Verfahren nach Anspruch 3 und nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch d) Kompensieren einer Temperaturabhängigkeit des Schwingkreises (22) mittels der gemessenen Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass Schritt a2) wenigstens einen der Schritte umfasst: a2.1) Bereitstellen eines RC-Schmitt-Trigger-Oszillators (5) mit dem Kondensator (2) als Kapazität und Bestimmen der Frequenz des Ausgangs des RC-Schmitt-Trigger-Oszillators (5); a2.2) Erzeugen einer Referenzfrequenz mittels eines Referenz-Taktgebers (7) und Bestimmung der charakteristischen Frequenz mittels der Referenz; und/oder 6.2 dass Schritt b) umfasst: b1) Erzeugen eines die Gasdichte angebenden Ausgangssignals (26) aus einem an dem Schwingkreis (22) abgegriffenen Messsignal, einem die Temperatur in dem Messvolumen angebenden Temperatursignal und einer Referenzfrequenz.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich Druck und Temperatur in dem Messvolumen gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zusammensetzung zweier Gaskomponenten oder eines Gases gegenüber einer Gasgruppe überwacht wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Messvolumen eine gasisolierte Schaltkammer ist oder an eine solche angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Anspruch 8, wobei Brenngas-Gemische oder Schweißgasgemische überwacht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, durchgeführt zur Überwachung eines Prozesses, insbesondere zur Überwachung eines dabei verwendeten oder entstehenden Gases.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, durchgeführt zur Reinheitsüberwachung von reinen Gasen.
Vorrichtung (10) zur Gasdichtemessung umfassend: eine ein Messvolumen (12) umfassende Messkammer (14), in der ein zu messendes Gas (16) enthalten ist oder in die ein zu messendes Gas (16) einleitbar ist, einen Kondensator (5) mit in oder an der Messkammer (14) fest angeordneten Elektroden (18), wobei zwischen den Elektroden (18) zumindest ein Teilbereich des Messvolumens (12) ausgebildet ist, und eine Auswerteeinheit (20), die dazu ausgebildet ist, die Gasdichte aus der von der Gasdichte zwischen den Elektroden (18) abhängigen Kapazität des Kondensators (5) zu bestimmen und ein die Gasdichte anzeigendes Ausgangssignal (26) abzugeben.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen RC-Schwingkreis (22), dessen Kapazitätsglied C zumindest teilweise durch den Kondensator (5) gebildet wird, wobei die Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, eine charakteristische Frequenz des RC-Schwingkreises (22) zu messen und daraus das Ausgangssignal (26) zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der RC-Schwingkreis (22) Teil eines RC-Schmitt-Trigger-Oszillators (5) ist, dass ein Referenz-Taktgeber (7) zur Erzeugung einer Referenzfrequenz (30) vorgesehen ist und dass die Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, mittels der Referenzfrequenz (30) die Frequenz eines durch den RC-Schmitt-Trigger-Oszillator (5) abgegebenen Oszillatorsignals (28) zu ermitteln und daraus das Ausgangssignal (26) zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (3) in dem Messvolumen (12), wobei die Auswerteeinheit (20) dazu ausgebildet ist, mittels eines Temperatursignals (32) von dem Temperaturfühler (7) eine Temperaturkompensation durchzuführen und das Ausgangssignal (26) temperaturkompensiert zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, gekennzeichnet durch eine Steuerung (24), die dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 anzusteuern.
Computerprogramm, enthaltend Steueranweisungen, die die Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 17 veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17 • zur Dichtemessung in Gasgemischen, • zusammen mit einem Druck- und Temperatursensor zur Überwachung der Zusammensetzung eines Gasgemischs, • zur Überwachung von gasisolierten Schaltkammern in Hoch- oder Mittelspannungsanlagen, • zur Überwachung von Brenngasgemischen oder Schweißgas-Gemischen, • zur Prozessüberwachung oder Reinheitsüberwachung reiner Gase oder • als Überdruck-sicherer Drucksensor.