DE19725398C1

DE19725398C1 - Verfahren zur Messung des Durchflusses und thermischer Durchflußmesser für Gase und Gasmischungen

Info

Publication number: DE19725398C1
Application number: DE1997125398
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Hutter; Marco Okhovat-Esfehani
Original assignee: Hostalen Polyethylen GmbH
Current assignee: Hostalen Polyethylen GmbH
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2017-06-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Durchflusses von Gasen sowie einen thermischen Durchflußmesser für Gase, enthaltend eine Hauptleitung, die einen Bypass aufweist, wobei für die Durchflußmessung Gas aus der Hauptleitung durch den Bypass führbar ist und wobei am Bypass für die Durchflußmessung ein Heizelement zum Beheizen der Bypasswand und eine erste und eine zweite Temperaturmeßstelle zur Messung der Temperatur der Bypasswand angeordnet ist.

Thermische Durchflußmesser der genannten Art sind bekannt, beispielsweise aus dem Buch von K. W. Bonfig, Technische Durchflußmessung: unter besonderer Berücksichtigung neuartiger Durchflußmeßverfahren, Vulkan-Verlag, Essen (Deutschland), 1987, auf das hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Diese Durchflußmesser arbeiten folgendermaßen: Aus der Hauptleitung, in der das zu messende Gas strömt, wird ein Teilstrom durch den Bypass geführt, beispielsweise durch einen Strömungsteiler (Restriktor), der in der Hauptleitung zwischen dem Eingang und dem Ausgang (in Strömungsrichtung) angeordnet ist und einen minimalen Druckabfall (ca. 35-50 mbar) verursacht und dadurch für die gewünschte Strömungsteilung sorgt. Der Restriktor sollte so beschaffen sein, daß das Verhältnis von Teilstrom zu Hauptstrom innerhalb eines bestimmten Durchflußbereiches (Meßbereich) konstant bleibt. Für laminare Strömungsbedingungen sind verschiendenartige Restriktoren entwickelt worden, die dieser Anforderung gerecht werden. Am Bypass-Rohr ist üblicherweise ein Heizelement zwischen zwei Temperaturmeßstellen angeordnet. Die Temperaturmeßstellen können als Widerstandsthermometer ausgebildet sein, bei denen der Meßwiderstand in der Form einer Spule um das Bypass-Rohr gewickelt ist. Das Bypass-Rohr wird über das Heizelement mit konstanter Leistung beheizt. Dadurch fließt ein Wärmestrom im Bypass-Rohr vom Heizelement weg in Richtung beider Temperaturmeßstellen und verursacht entlang des Rohres eine bestimmte Temperaturverteilung und entsprechend zwischen den Temperaturmeßstellen eine bestimmte Temperaturdifferenz ΔT. Bei symmetrischer Anordnung und ohne Strömung ist ΔT = 0. Strömt ein Gas durch den Bypass, so verzerrt dies infolge des Wärmetransportes des Gases die Temperaturverteilung entlang des Rohres und erzeugt so eine Temperaturdifferenz ΔT ≠ 0, proportional zum Massenstrom q_m des Gases:

q_m = k . ΔT/c_p(1)

Die Proportionalitätskonstante k wird über Kalibrierversuche mit einem bestimmten Gas, üblicherweise Luft, Stickstoff oder ein Edelgas, ermittelt. c_p ist die spezifische Wärmekapazität des bei der Messung/Kalibrierung verwendeten Gases.

Dieses Verfahren beinhaltet jedoch folgende Nachteile: Zur Messung des Durchflusses von anderen Gasen als zur Kalibrierung verwendet, wird der nach Gleichung (1) ermittelte Massenstrom noch mit einem sogenannten Konversionsfaktor C multipliziert, der sich wie folgt zusammensetzt:

C = (c_p,1 . ρ₁)/(c_p,2 . ρ₂) (2)

Darin bedeuten: C_p,1 bzw. ρ₁ Wärmekapazität bzw. Dichte des zu messenden Gases bei Normalbedingungen, c_p,2 bzw. ρ₂ Wärmekapazität bzw. Dichte des Kalibriergases bei Prozeßbedingungen, d. h. bei den Bedingungen, die für das zu messende Gas maßgeblich sind. Statt der Daten bei Prozeßbedingungen werden auch die Daten bei Normalbedingungen verwendet. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die so bestimmten Durchflüsse vor allem bei realen Gasen wie z. B. Ethylen oder Butan stark fehlerhaft sind, mit Abweichungen bis zu 15% allein schon bei Kalibrierbedingungen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Durchflußmesser und ein Durchflußmessverfahren so zu verbessern, daß eine genauere Messung möglich ist.

Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist einmal ein Verfahren zur Messung des Durchflusses von Gasen durch Leitungen, bei dem man einen Teilstrom des Gases aus der Leitung durch einen Bypass führt, den Bypass beheizt, worauf sich entlang der Wand des Bypasses eine Temperaturverteilung einstellt, die vom Durchfluß des Gases durch die Leitung abhängt, und bei dem man aus der Temperaturverteilung eine Temperaturdifferenz bestimmt und aus dieser Temperaturdifferenz über einen Konversionsfaktor des Gases den Massendurchfluß des Gases berechnet, wobei man zur Ermittlung des Konversionsfaktors die Temperatur und den Druck des Gases im Bypass heranzieht.

Gegenstand der Erfindung ist weiter ein thermischer Durchflußmesser für Gase, enthaltend eine Hauptleitung, die einen Bypass aufweist, wobei für die Durchflußmessung Gas aus der Hauptleitung durch den Bypass führbar ist und wobei am Bypass für die Durchflußmessung ein Heizelement zum Beheizen der Bypasswand und eine erste und eine zweite Temperaturmeßstelle zur Messung der Temperatur der Bypasswand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Bypass ein weiteres Heizelement zur Erzeugung einer Einphasenströmung angeordnet ist.

Denn ein Gas, das sich in einem sogenannten Naßdampfzustand befindet, d. h. Flüssigkeitströpfchen enthält, kann so in einen gasförmigen Einphasenzustand übergeführt werden. Vorzugsweise ist dieser Einphasenzustand überhitzt, da dann Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit oder die Entropie des Gases nicht mehr so stark vom Druck abhängen. Zur Durchführung des genannten Verfahrens kann eine dritte Temperaturmeßstelle vorzugsweise in das Bypass-Rohr hineinragen, um so unmittelbaren Kontakt mit dem Gas zu haben. Sie kann aber auch als Widerstandsthermometer wie die beiden anderen Temperaturmeßstellen an der Außenwand des Rohres angeordnet sein. In diesem Fall ist darauf zu achten, daß die Heizelemente diese dritte Temperaturmeßstelle nicht beeinflussen. Die dritte Temperaturmeßstelle und die Druckmeßstelle zur Durchführung des genannten Verfahrens sind vorzugsweise direkt am Bypass angebracht, besonders bevorzugt in der Nähe des Eingangs.

Weiter ist es vorteilhaft, die Hauptleitung und/oder den Bypass strömungstechnisch so zu gestalten, daß möglichst wenig Verwirbelungen oder Strömungsablösungen auftreten, wie sie von sprungartigen Querschnittsänderungen verursacht werden. Geeignet hierfür ist die Ausgestaltung in Form von Diffusoren.

Die Vorteile des genannten Verfahrens sind im wesentlichen darin zu sehen, daß es den realen thermodynamischen Zustand der Gase innerhalb des Bypasses besser berücksichtigt, was zu einer erhöhten Genauigkeit führt, vor allem bei nichtidealen Gasen wie Ethylen. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß Druck und Temperatur innerhalb des Bypasses bis zu 300 mbar bzw. 15°C von den Prozeßbedingungen abweichen können, und zwar vermutlich aufgrund strömungsmechanischer und thermodynamischer Einflüsse, wie Ablösungen von Wirbeln, Reibungsverlusten, Wärmeverlusten und dergleichen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der einzigen Figur dargestellten Prinzipskizze näher erläutert. Eine Beschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise ist dadurch nicht beabsichtigt.

Die Darstellung zeigt eine erfindungsgemäße Meßanordnung eines thermischen Durchflußmessers.

In einer Hauptleitung 1 strömt ein Hauptstrom 2 eines zu messenden Gases. Die Hauptleitung 1 weist einen Bypass in Form eines Bypass-Rohres 3 auf das mit einem Eingang 4 und einen Ausgang 5 an die Hauptleitung angeschlossen ist. Ein Restriktor 6, der im Bereich des Eingangs 4 beispielsweise zwischen dem Eingang 4 und dem Ausgang 5 innerhalb der Hauptleitung 1 liegt, erzeugt einen genügend hohen Druckabfall wodurch ein genügend großer Nebenstrom 7 aus der Hauptleitung 1 durch das Bypass-Rohr 3 geführt wird. Zur Vergleichmäßigung des Strömungsüberganges von der Hauptleitung 1 in das Bypass-Rohr 3 ist der Eingang 4 als Diffusor gestaltet. Zur Messung der Strömung ist das Bypass-Rohr mit einem ersten Heizelement 8 und einer ersten und einer zweiten Temperaturmeßstelle 9, 10 versehen, die wie eingangs beschrieben arbeiten. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine dritte Temperaturmeßstelle 11 und eine Druckmeßstelle 12 vorgesehen, die in einer Aufweitung 13 des Bypass-Rohres angeordnet sind. Die Aufweitung 13 ist ebenfalls mit Mitteln zur Vergleichmäßigung der Strömung (Diffusor) günstig gestaltet. Am Eingang 4 ist ein zweites Heizelement 14 vorgesehen, das im Bedarfsfall, bei einem Gas im Naßdampfgebiet, zugeschaltet werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Durchflusses von Gasen durch Leitungen, bei dem man einen Teilstrom des Gases aus der Leitung (1) durch einen Bypass (3) führt, den Bypass (3) beheizt, worauf sich entlang der Wand des Bypasses (3) eine Temperaturverteilung einstellt, die vom Durchfluß des Gases durch die Leitung (1) abhängt, und bei dem man aus der Temperaturverteilung eine Temperaturdifferenz bestimmt und aus dieser Temperaturdifferenz über einen Konversionsfaktor des Gases den Massendurchfluß des Gases berechnet, wobei man zur Ermittlung des Konversionsfaktors die Temperatur und den Druck das Gases im Bypass heranzieht.

2. Thermischer Durchflußmesser für Gase, enthaltend eine Hauptleitung (1), die einen Bypass (3) aufweist, wobei für die Durchflußmessung Gas aus der Hauptleitung durch den Bypass (3) führbar ist und wobei am Bypass (3) für die Durchflußmessung ein Heizelement (8) zum Beheizen der Bypasswand und eine erste und eine zweite Temperaturmeßstelle (9, 10) zur Messung der Temperatur der Bypasswand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Bypass (3) ein weiteres Heizelement (14) zur Erzeugung einer Einphasenströmung angeordnet ist.