DE19819071A1 - Verfahren zum Erfassen der Gasmenge in Gasdruckbehältern - Google Patents

Abstract

Die in einem stationären Gasdruckbehälter enthaltene Gasmenge wird entweder über die Positionserfassung eines Schwimmers auf der flüssigen Phase oder indirekt über einen Gasverbrauchszähler ermittelt. Bei mobilen Gasdruckbehältern wird die Gasmenge mit Hilfe einer Waage über die Messung des Gasdruckbehälter-Bruttogewichtes indirekt ermittelt. Das neue Verfahren soll die Gasmenge in stationären und mobilen Gasdruckbehältern ohne Schwimmer direkt erfassen. DOLLAR A Beim neuen Verfahren wird der Gasdruckbehälter als passives, elastomechanisches, viskos gedämpftes System mit spezifischen Randbedingungen (Einspannung, Temperatur, Lage) betrachtet. Die Parameterwerte der viskosen Dämpfung als Funktion der eingeschlossenen Gasmenge beeinflussen signifikant die Übergangsfunktion des Systems. Die Werte charakteristischer Parameter der Systemantwort bei Anregung durch ein definiertes Eingangssignal werden mit empirischen Datensätzen verglichen, welche zuvor an Referenzobjekten mittels experimenteller Modalanalyse mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen bei definierten Gasmengen sukzessive ermittelt wurden. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich für alle Arten von Gasen und Druckbehältern.

Description

Bei komplexen technischen Konstruktionen, insbesondere für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Bereichen wie zum Beispiel in der Luftfahrtindustrie, müssen umfangreiche Funktions- und Sicherheitsnachweise durchgeführt werden. Dabei wird oft die Simulation von extremen Lastfallen gefordert, die sich aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht realisieren lassen. Deshalb werden aus den Zahlenwerten der physikalischen Parameter der Konstruktionszeichnungen mithilfe der theoretischen Systemanalyse mathematische Modelle der technischen Objekte erstellt. Das Verhalten dieser Rechenmodelle auf verschiedene Eingangsgrößen (Lastfalle) wird dann rein numerisch ermittelt (H.G. Natke: Einführung in die Theorie und Praxis der Zeitreihen- und Modalanalyse, Vieweg Verlag 1983). Bei Neuentwicklungen oder Änderungen, bei denen die Änderungen signifikanten Einfluß auf das dynamische Verhalten haben und übertragbare Erfahrungen fehlen, ist die Unsicherheit der Systemanalyse sehr groß. Einige physikalische Effekte, wie zum Beispiel Dämpfungseinflüsse und Nichtlinearitäten, sind teilweise nicht theoretisch zu ermitteln.

Um diese Unsicherheiten zu minimieren oder überhaupt Kenngrößen für ein mathematisches Modell zur numerischen Analyse des dynamischen Verhaltens von realen Objekten zu erhalten, setzt man die sogenannte experimentelle Modalanalyse ein. Dabei werden die realen Objekte mit definierten Testsignalen beaufschlagt und deren Antwortverhalten meßtechnisch erfaßt. Mithilfe dieser Ergebnisse erfolgt eine Aufstellung, Verifikation oder Korrektur der mathematischen Modelle zur Systembeschreibung.

Vorrichtungen zum Erzeugen von Testsignalen, meßtechnische Ausrüstungen zum Erfassen des Antwortverhaltens und Software für die numerische Auswertung der Meßergebnisse sind Stand der Technik (The Modal Shop, Inc., Cincinnati, Ohio, USA).

Die experimentelle Modalanalyse war bisher also ein Verfahren, entweder direkt kritische Eigenfrequenzen am realen Objektes zu erzeugen oder Daten zur numerischen Simulation zwecks Prüfung und Optimierung von Objekten zu liefern und wurde bisher nicht benutzt zur Erfassung der Gasmenge in Gasdruckbehältern.

Es existieren zahlreiche allgemein bekannte Meßverfahren zur Erfassung von Mengen in Behältern. Eine besondere Art von Behälter stellen die sogenannten Druckgasbehälter dar. Ihre konstruktive Auslegung und Verwendung unterliegt zahlreichen (DIN-) Standards und Technischen Regelwerken. Die besonderen Eigenschaften von Gasen unter Druck, die Sicherheitsvorkehrungen bei Druckbehältern und der Umgang mit mobilen Gasdruckbehältern schränkt: die möglichen Arten der Mengenerfassung stark ein.

Die in einem stationären Gasdruckbehälter enthaltene Gasmenge wird entweder direkt über die Positionserfassung eines Schwimmers auf der flüssigen Phase oder indirekt über einen volumetrischen Gasverbrauchszähler ermittelt. Bei mobilen Gasdruckbehältern wird die Gasmenge mithilfe einer Waage über die Messung des Gasbehälter-Bruttogewichtes abzüglich des Behälter-Leergewichtes indirekt ermittelt. Bei speziellen Gasdruckbehältern für Heißluftballons wird ebenfalls über das Schwimmerprinzip das Niveau der flüssigen Gasphase erfaßt.

Bei mobilen Gasdruckbehältern wird eine spezielle Waage eingesetzt, welche das Druckbehälterleergewicht automatisch vom Bruttogewicht abzieht. Bei Verwendung einer normalen Waage wird eine Differenzrechnung durchgeführt.

Mobile Gasdruckbehälter in Haltevorrichtungen, vornehmlich in Wohnmobilen und Campinganhängern, werden vor dem Wiegen aus der Halterung entfernt.

Vorrichtungen basierend auf dem Schwimmerprinzip für mobile Gasdruckbehälter, wie verwendet für Heißluftballons, werden in anderen Einsatzbereichen für mobile Gasdruckbehälter aufgrund der groben Handhabung, denen diese Behälter ausgesetzt sind, nicht eingesetzt.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegen die Probleme zugrunde, daß die bekannten Vorrichtungen basierend auf dem Schwimmerprinzip zur Erfassung der Gasmenge in Gasdruckbehältern zusätzliche Teile innerhalb des Gasdruckbehälters (Schwimmer) und kostehintensive Durchführungen (mechanische Kopplung zur Anzeige) durch die Wandung benötigen, jeder einzelne Gasdruckbehälter separat bei seiner Herstellung damit ausgerüstet werden muß, ein nachträglicher Einbau dieser Art von Meßeinrichtung nur mit sehr großen Aufwand möglich ist, diese Vorrichtungen von Natur aus störanfallig und ungenau sind. Weiterhin liegen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung die Probleme zugrunde, daß bei indirekten Ermittlung der Gasmenge in Gasdruckbehältern basierend auf einer volumetrischen Verbrauchserfassung durch das Ablesen, Speichern und Subtrahieren der Zählerstände organisatorischer Aufwand benötigt wird, der zudem die Gefahr sich fortpflanzender Fehler birgt.

Weiterhin liegen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung die Probleme zugrunde, daß bei mobilen Gasdruckbehältern, vornehmlich verwendet in Wohnmobilen und Caravans, ohne Meßvorrichtung basierend auf dem Schwimmerprinzip, diese vor dem Wiegen von der Gaszuleitung abgeschraubt, aus ihrer Halterung entfernt, dann gewogen werden müssen und gegebenenfalls anschließend eine manuelle Berechnung durchgeführt werden muß. Weiterhin liegt der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung das Problem zugrunde, daß die bekannten Vorrichtungen nach dem Schwimmerprinzip nur für Gase anwendbar sind, welche in natürlicher Umgebungstemperatur eine flüssige Phase aufweisen. Der im Patentanspruch 2 und 3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei den bekannten Vorrichtungen nach dem Schwimmerprinzip es durch die temperaturabhängige Dichte der flüssigen Phase des Gases zur einer fehlerhaften Anzeige kommen kann. Der im Patentanspruch 4 und 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei den bekannten Vorrichtungen nach dem Schwimmerprinzip es durch die lageabhängige Verteilung der flüssigen Phase im Gasdruckbehälter zur einer fehlerhaften Anzeige kommen kann.

Diese Probleme werden durch das neuartige Verfahren und seine Varianten mit in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die mit dem neuen Verfahren erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß keine zusätzliche Teile innerhalb eines Gasdruckbehälters oder Durchführungen benötigt werden, dieses Meßverfahren durch seine Mobilität und einfache Adaption an Gasdruckbehälter keine oder nur sehr geringe zusätzliche oder nachträgliche Modifizierung an der Außenwand des Gasdruckbehälters benötigt. Das heißt, bei allen bereits installierten stationären Gasdruckbehältern kann dieses Verfahren als Vorrichtung einfach nachträglich adaptiert werden, beziehungsweise bei allen sich bereits im Umlauf befindlichen mobilen Gasdruckbehältern kann dieses Verfahren ohne Modifikation der vorhandenen Gasdruckbehälter einfach angewendet werden.

Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren erzielten Vorteile insbesondere darin, daß entgegen der indirekten Berechnung der Gasmenge bei Verwendung von volumetrischen Gasverbrauchszählern die Bestimmung der Gasmenge immer direkt und unmittelbar erfolgt, damit kein organisatorischer Aufwand benötigt wird und die Gefahr sich fortpflanzender Fehler ausgeschlossen ist.

Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren erzielten Vorteile insbesondere darin, daß ein mobiler eingespannter Gasdruckbehalter, wie insbesondere eingesetzt in Wohnmobilen und Caravans, während des Meßvorgangs in seiner Einspannvorrichtung verbleiben kann und damit die umständliche Handhabung für einen Wiegevorgang mit nachträglicher manueller Berechnung entfällt und damit ebenfalls die grundsätzlichen Gefahren, denen der meist hier hantierende Laie beim Trennen und Anschließen der Gasleitung ausgesetzt ist, ganz wegfallen. Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren erzielten Vorteile insbesondere darin, daß dieses Verfahren auch bei Gasen, die unter natürlichen Temperaturbedingungen keine flüssige Phase aufweisen, anwendbar ist.

Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren gemäß den in Patentansprüchen 2 und 3 aufgeführten Merkmalen erzielten Vorteile insbesondere darin, daß dieses Verfahren entgegen den Vorrichtungen basierend auf dem Schwimmerprinzip die temperaturabhängige Dichte der flüssigen Phase berücksichtigt.

Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren gemäß den in Patentansprüchen 4 und 5 aufgeführten Merkmalen erzielten Vorteile insbesondere darin, daß dieses Verfahren entgegen den Vorrichtungen basierend auf dem Schwimmerprinzip den lageabhängigen Verlauf der Oberfläche der flüssigen Phase berücksichtigt.

Weiterhin liegen die mit dem neuen Verfahren erzielten Vorteile insbesondere darin, daß dieses Verfahren als sehr kompakte (tragbare)Vorrichtung bestehend aus Schwingungserregermodul, Schwingungsaufnehmermodul, Temperaturmeßmodul, Lagemodul, Mikroprozessor, Anzeige, Tastenfeld und (Batterie-)Versorgungsmodul ausgeführt werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erfassen der Gasmenge in Gasdruckbehältern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasdruckbehälter mit seiner eingeschlossenen Gasmenge hier als passives, elastomechanisches, viskos gedämpftes System mit spezifischen Randbedingungen (Einspannung) betrachtet wird, dessen Parameterwerte der viskosen Dämpfung als Funktion der eingeschlossenen Gasmenge signifikant die Übergangsfunktion des Systems beeinflussen. Zum Erfassen der unbekannten Gasmenge in dem vorliegenden System (Gasdruckbehälter mit eingeschlossener Gasmenge) werden hier die Werte charakteristischer Parameter der Systemantwort bei Anregung durch ein definiertes Eingangssignal gemessen und mit empirischen Datensätzen (Parameterwerten) verglichen. Diese empirischen Datensätze (Parameterwerte) werden hier zuvor an Referenzsystemen (Gasdruckbehälter identischer Ausführung) mittels experimenteller Modalanalyse mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen (Einspannung) bei jeweils definierten Gasmengen und Gasarten sukzessive ermittelt. Der über vergleichende Algorithmen herstellbare eindeutige Bezug zwischen dem gemessenen Datensatz des vorliegenden Systems mit unbekannter Gasmenge und einem empirischen Datensatz, dem eine bekannte Gasmenge zugeordnet ist, ermöglicht die Zuordnung einer definierten Gasmenge zum vorliegenden System.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Systems (Gasdruckbehälter mit eingeschlossener Gasmenge) als zusätzliche Randbedingung mit erfaßt wird, um die Abhängigkeit der Parameterwerte der viskosen Dämpfung und damit der Übergangsfunktion von der Temperatur zu berücksichtigen. Die empirischen Datensätze (Parameterwerte) werden hier zuvor an Referenzsystemen mittels experimenteller Modalanalyse bei unterschiedlichen definierten Temperaturen mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen (Einspannung) bei jeweils definierten Gasmengen und Gasarten sukzessive ermittelt. Somit werden nur die empirischen Datensätze zum Vergleich gemäß des im Anspruch 1 aufgeführten Verfahrens zur Ermittlung der unbekannten Gasmenge herangezogen, welche am Referenzsystem bei identischer Systemtemperatur ermittelt wurden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Systems (Gasdruckbehälter mit eingeschlossener Gasmenge) als zusätzliche Randbedingung mit erfaßt wird, gemäß des im Anspruch 1 aufgeführten vergleichenden Verfahrens eine Gasmenge temperaturunabhängig ermittelt wird und dann für die Angabe der tatsächlich vorhandenen Gasmenge eine temperaturbezogene Korrektur durchgeführt wird. Man erhält diese temperaturbezogenen Korrekturfaktoren für jede Gasmenge und Gasart, indem man empirische Datensätze (Parameterwerte) untereinander vergleicht, welche an Referenzsystemen mittels experimenteller Modalanalyse mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen (Einspannung) bei jeweils gleichen Gasmengen und Gasarten aber unterschiedlichen Temperaturen sukzessive ermittelt wurden.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Systems als zusätzliche Randbedingung mit erfaßt wird, um die Abhängigkeit der Parameterwerte der viskosen Dämpfung, speziell bei Gasen mit einer flüssigen Phase, von der durch die von der flüssigen Phase benetzten Oberfläche innerhalb des Gasdruckbehälters zu berücksichtigen, da sich bei unterschiedlicher Lage eines Gasdruckbehälters trotz gleicher Menge an flüssigen Phase sich die von der flüssigen Phase benetzte Oberfläche naturgemaß ändert. Die empirischen Datensätze (Parameterwerte) werden hier zuvor an Referenzsystemen mittels experimenteller Modalanalyse des Referenzsystems (Gasdruckbehälter identischer Ausführung) mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen (Einspannung) bei jeweils definierten Gasmengen und Gasarten aber unterschiedlichen Lagen sukzessive ermittelt.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Systems als zusätzliche Randbedingung mit erfaßt wird, gemäß des im Anspruch 1 aufgeführten vergleichenden Verfahrens eine Gasmenge lageunabhängig ermittelt wird und dann für die Angabe der tatsächlich vorhandenen Gasmenge eine lagebezogene Korrektur durchgeführt wird. Man erhält diese lagebezogenen Korrekturfaktoren für jede Gasmenge und Gasart, indem man empirische Datensätze (Parameterwerte) untereinander vergleicht, welche an Referenzsystemen mittels experimenteller Modalanalyse mit identischen Eingangssignalen und Randbedingungen (Einspannung) bei jeweils gleichen Gasmengen und Gasarten aber unterschiedlichen Lagen sukzessive ermittelt wurden.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Temperatur als auch Lage des vorliegenden Systems (Gasdruckbehälter mit eingeschlossener Gasmenge) berücksichtigt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Systemantwort als Körperschall über eine direkte Ankopplung eines geeigneten Aufnehmers oder mehrerer Aufnehmer erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Systemantwort akustisch als Luftschall über einen geeigneten oder mehrere Aufnehmer erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Systemantwort über eine Kombination von Körperschall- und Luftschall- Aufnehmern erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das definierte Eingangssignal ein determiniertes oder stochastisch-bestimmtes Zeitsignal ist oder aus einer Kombination beider Signalarten besteht.