DE202006021163U1

DE202006021163U1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrationen von Komponenten eines Gasgemisches

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Publication number: DE202006021163U1
Application number: DE202006021163U
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2016-07-04

Abstract

Vorrichtung der Prozess- und Automatisierungstechnik zur Bestimmung der Konzentrationen (x1, x2, x3) von Komponenten eines Gasgemisches (2), das durch eine Rohrleitung (1) strömt, wobei sich das Gasgemisch (2) im wesentlichen aus drei Komponenten zusammensetzt, von denen eine Wasserdampf ist, wobei es sich bei dem Gasgemisch (2) um ein Biogas handelt, das im wesentlichen aus dem Komponenten Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, wobei ein Ultraschall-Durchflussmessgerät (31) vorgesehen ist, das die Schallgeschwindigkeit (Cg) des in einer Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) bestimmt, wobei eine Temperaturmesseinheit (12) vorgesehen ist, die die Temperatur (T) des in der Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) bestimmt, und wobei eine Auswerteeinheit (21) vorgesehen ist, die anhand der über eine Ultraschallmessung ermittelten Schallgeschwindigkeit (Cg) und anhand der Schallgeschwindigkeit (Cg) die sich durch Auswertung der idealen Gasgleichung ergibt, die Konzentrationen (x1, x2, x3) der Komponenten des Gasgemisches (2) bestimmt, wobei die Auswerteeinheit (21) die Konzentration des Wasserdampfs (x3) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) und der Luftfeuchte (RH) des Gasgemisches (2) ermittelt und die Konzentration (x3) des Wasserdampfes bei der Bestimmung der Konzentrationen (x1, x2) der beiden weiteren Komponenten berücksichtigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentrationen und/oder des Durchflusses von einzelnen Komponenten eines Gasgemisches, wobei das Gasgemisch durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr strömt. Bevorzugt besteht das Gasgemisch, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung analysiert wird, aus drei Komponenten, wobei üblicherweise Spuren weiterer Gase mit einer Konzentration von kleiner als einem Volumenprozent vorhanden sein können. Eine typische Anwendung ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Biogas-Anlage. Biogas besteht im Wesentlichen aus den drei Komponenten: Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf. Darüber hinaus sind in dem Biogas Spuren von Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Ammoniak zu finden.
Üblicherweise kommt bei der Messung des Durchflusses von Gasgemischen durch eine Rohrleitung ein thermisches Durchflussmessgerät zum Einsatz. Um eine möglichst genaue Messung durchführen zu können, muss die Zusammensetzung des Gasgemisches bekannt sein. Hierzu ist neben dem thermischen Durchflussmessgerät ein Gasanalysator vorgesehen. Die entsprechende Gasanalyse erfolgt offline, d. h. dass eine Gasprobe wird zwecks Analyse aus dem Gasgemisch entnommen, in den Gasanalysator eingefüllt und dort anschließend analysiert. Vor Durchführung einer nachfolgenden Analyse muss der Analysator gereinigt werden. Es versteht sich von selbst, dass diese bekannte Methode im Hinblick auf die Anschaffungs- und Betriebskosten relativ kostenintensiv ist.
Anstelle eines thermischen Durchflussmessgeräts kann auch ein Vortex-Durchflussmessgerät eingesetzt werden. Allerdings ist der Einsatz auf Anwendungen beschränkt, bei denen ein hoher Durchfluss vorliegt, da Vortex-Durchflussmessgeräte im Bereich kleiner Durchflüsse große Messfehler haben. Daher ist der Einsatz von Vortex-Durchflussmessgeräten in Biogas-Anlagen, wo das Biogas üblicherweise einen geringen Durchfluss aufweist, wenig sinnvoll. Ähnliches gilt auch für den Einsatz von Differenzdruck-Durchflussmessgeräten: Ihr Einsatz in Biogas-Anlagen ist insofern kritisch, als der Druck im Fermenter vergleichbar ist mit dem Umgebungsdruck. Bei beiden Typen von Durchflussmessgeräten ist ebenso wie beim Einsatz eines thermischen Durchflussmessgeräts ein separater Gasanalysator vorzusehen. Wie bereits gesagt, erhöht dieser zusätzliche und offline betriebene Analysator den Arbeitsaufwand, die Anschaffungs- und die Betriebskosten.
Aus der US-PS 5,392,635 ist eine akustische Zelle zur Analyse eines zweikomponentigen Gasgemisches bekannt geworden, wobei die Zelle auf der Basis der Laufzeitdifferenz von Schallsignalen arbeitet. Bei dieser bekannten Lösung wird mittels in das Gasgemisch eingestrahlter Schallsignale die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches bestimmt. Da die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches u. a. vom Molekulargewicht der beiden Komponenten abhängt, ist es möglich, den Volumenanteil bzw. die Konzentration jeder der beiden Komponenten in guter Näherung über die ideale Gasgleichung zu ermitteln.
Die aus dem Stand der Technik bekannte akustische Zelle hat den Nachteil, dass mit ihr nur zweikomponentige Gasgemische analysiert werden können. In typischen zu analysierenden Gasgemischen sind jedoch oftmals mehr als zwei Komponenten in relativ großen Konzentrationen vorhanden. Bleiben diese Komponenten unberücksichtigt, so ist der Messfehler entsprechend groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur präzisen Bestimmung der Konzentration der einzelnen Komponenten eines Gasgemisches mit mehr als zwei Komponenten vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Ultraschall-Durchflussmessgerät vorgesehen ist, das die Schallgeschwindigkeit des in einer Rohrleitung strömenden Gasgemisches bestimmt, dass eine Temperaturmesseinheit vorgesehen ist, die die Temperatur des in der Rohrleitung strömenden Gasgemisches bestimmt, und dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die anhand der über eine Ultraschallmessung ermittelten Schallgeschwindigkeit und anhand der Schallgeschwindigkeit, die sich durch Auswertung der idealen Gasgleichung ergibt, die Konzentrationen der einzelnen Komponenten des Gasgemisches bestimmt, wobei die Auswerteeinheit die Konzentration des Wasserdampfs in Abhängigkeit von der Temperatur und der Luftfeuchte des Gasgemisches ermittelt und die Konzentration des Wasserdampfes bei der Bestimmung der Konzentrationen der beiden weiteren Komponenten berücksichtigt. Wie zuvorgesagt, wird die Schallgeschwindigkeit bevorzugt durch Lösung der idealen Gasgleichung ermittelt. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist es alternativ möglich, diese Information anhand experimentell ermittelter Daten zu erhalten. Insbesondere ist im Zusammenhang mit der Erfindung vorgesehen, dass es sich bei dem Gasgemisch um ein Biogas handelt, das im wesentlichen aus dem Komponenten Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit die Konzentration des Wasserdampfes in Abhängigkeit von der Temperatur unter der Annahme einer relativen Luftfeuchte von 100% ermittelt.
Die oben getroffene Annahme, einer Sättigung des Gasgemisches mit Wasserdampf ist in vielen Fällen zumindest näherungsweise korrekt. Insbesondere gilt dies für Biogas, das üblicherweise bei einer Temperatur von 37°C erzeugt wird. Allerdings liefert diese Näherung nicht in jedem Fall ein korrektes Ergebnis: Um den eventuell auftretenden Fehler bei der Bestimmung der Konzentration des Wasserdampfes zu minimieren, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Feuchtemesseinheit vorgesehen, die die relative Luftfeuchte des in der Rohrleitung strömenden Gasgemisches misst; anschließend bestimmt die Auswerteeinheit die Konzentration bzw. den Volumenanteil des Wasserdampfes in Abhängigkeit von der Temperatur und der gemessenen relativen Luftfeuchte.
Da auch der Druck des in der Rohrleitung strömenden Gasgemisches einen Einfluss auf die Konzentration des Wasserdampfs in dem Gasgemisch hat, ist gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Drucksensor vorgesehen, der den Absolutdruck des in der Rohrleitung strömenden Gasgemisches bestimmt; die Auswerteeinheit berücksichtigt den gemessenen Absolutdruck bei der Bestimmung der Konzentration des Wasserdampfes in dem Gasgemisch.
In einer bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Rohrleitung um ein Ableitrohr für Biogas, wobei das Ableitrohr im oberen Bereich eines Fermenters, in dem sich Biomaterial befindet, angeordnet ist.
Um die Effektivität einer Biogas-Anlage zu ermitteln und zu überwachen, ist es notwendig, den aktuellen Durchfluss und die aktuelle Konzentration der wesentlichen Komponenten des Biogases zu kennen. So bestimmt der Prozentanteil von Methan in dem Gasgemisch den Energiegehalt des Biogases, während der Anteil des Methans in dem Biogas verknüpft mit dem Durchfluss eine Größe ist, die die Energieerzeugung bzw. den Energiegewinn der Biogas-Anlage charakterisiert. Weiterhin ist das Verhältnis von Methan zu Kohlendioxid eine wichtige Regelgröße für den in dem Fermenter ablaufenden Prozess; dieses Verhältnis kann beispielsweise zur Steuerung der Prozess-Temperatur und/oder zur Steuerung der Beschickung des Fermenters mit neuem Biomaterial verwendet werden. Weiterhin ist die Überwachung des Anteils von Kohlendioxid in dem Biogas aufgrund bestehender Umweltschutz-Bestimmungen von großer Wichtigkeit.
Gemäß einer bevorzugen Ausgestaltung eines Verfahrens ist das Ultraschall-Durchflussmessgerät so ausgestaltet, dass es die Strömungsgeschwindigkeit bzw. den Volumendurchfluss des in der Rohrleitung strömenden Gases nach dem Doppler- oder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip ermittelt. Bei dem Ultraschall-Durchflussmessgerät handelt es sich entweder um ein Inline-Durchflussmessgerät oder um ein Clamp-On Durchflussmessgerät.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte, die nach der Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeiten, weisen zumindest ein Paar von Ultraschallsensoren auf, die die Ultraschall-Messsignale entlang definierter Schallpfade durch das in der Rohrleitung strömende Gasgemisch alternierend aussenden und/oder empfangen. Eine Regel-/Auswerteeinheit ermittelt den Volumen- und/oder den Massedurchfluss des Gasgemisches anhand der Differenz der Laufzeiten der Messsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung des Gasgemisches. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die Information über den Durchfluss und die Zusammensetzung des im wesentlichen aus drei Komponenten zusammengesetzten Biogases inline und kontinuierlich bereitgestellt werden kann.
Bei Inline-Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren fest in entsprechenden Ausnehmungen in der Wandung eines Messrohrs integriert. Zwecks Montage wird das Messrohr mittels Flanschen in die Rohrleitung eingesetzt. Bei Clamp-On-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschallsensoren von außen auf die Rohrleitung montiert; sie messen den Volumen- bzw. Massedurchfluss des Gasgemisches in der Rohrleitung durch die Rohrwand hindurch.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte der zuvor beschriebenen Art, die den Volumen- oder den Massedurchfluss ermitteln, werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Clamp-On-Durchflussmessgeräte haben den Vorteil, dass sie es ermöglichen, den Volumen- oder Massedurchfluss in einem Behältnis, z. B. in einer Rohrleitung, ohne Kontakt mit dem Medium zu bestimmen. Clamp-On-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 , DE 43 35 369 C1 , DE 298 03 911 U1 , DE 4336370 C1 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben.
Bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung, in der das fluide Medium strömt, eingestrahlt bzw. aus der Rohrleitung ausgestrahlt. Bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten ist die jeweilige Position der Ultraschallwandler am Messrohr (Inline) bzw. an der Rohrleitung (Clamp-On) abhängig vom Innendurchmesser des Messrohres und von der Schallgeschwindigkeit des Mediums. Bei Clamp-On-Durchflussmessgeräten müssen zusätzlich die Applikationsparameter: Wandstärke der Rohrleitung und Schallgeschwindigkeit des Materials der Rohrleitung berücksichtigt werden.
Üblicherweise sind bei beiden Typen von Ultraschall-Durchflussmessgeräten die Ultraschallsensoren so angeordnet, dass die Schallpfade durch den Zentralbereich der Rohrleitung bzw. des Messrohres geführt sind. Der ermittelte Volumen- oder Massedurchfluss spiegelt somit den mittleren Durchfluss des Mediums durch die Rohrleitung. Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei Durchflussmessungen in Rohrleitungen mit großen Nennweiten, ist diese Mittelung jedoch zu ungenau. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt geworden, mehrere Sensorpaare über den Umfang verteilt an dem Messrohr bzw. an der Rohrleitung vorzusehen, wodurch die Durchflussinformation aus verschiedenen segmentierten Winkelbereichen des Messrohres bzw. der Rohrleitung zur Verfügung steht.
Die wesentliche Komponente eines Ultraschallsensors ist ein piezoelektrisches Element. Die wesentliche Komponente eines piezoelektrischen Elements ist eine piezokeramische Schicht, bei der es sich um eine Folie oder um eine Membran handelt. Die Piezokeramik ist zumindest in einem Teilbereich metallisiert. Durch Anlegen eines elektrischen Anregungssignals wird die piezoelektrische Schicht in Resonanzschwingung versetzt, und Ultraschall-Messsignale werden ausgesendet. Bei dem empfangenden Ultraschallsensor werden die Ultraschall-Messsignale in ein elektrisches Signal umgesetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt die Auswerteeinheit anhand der zuvor bestimmten Konzentrationen und der Molekulargewichte der einzelnen Komponenten des Gasgemisches bzw. des Biogases und anhand der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit den Volumen- oder Massedurchfluss von zumindest einer der Komponenten des Gasgemisches bzw. des Biogases.
Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit den Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases unter Berücksichtung der ermittelten Konzentrationen der einzelnen Komponenten und dem Volumendurchfluss des Biogases in der Rohrleitung.
Weiterhin ist eine Anzeigeeinheit vorgesehen, die eine Meldung ausgibt, wenn der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases einen vorgegebenen minimalen Grenzwert unterschreitet.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Steuer-/Regeleinheit vor, die die Temperatur des Fermenters und/oder die Beschickung des Fermenters mit Füllmaterial so steuert, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Hierdurch lässt sich der Ablauf des Fermentationsprozesses optimieren. Bevorzugt werden zu diesem Zweck die bereits an vorhergehender Stelle genannten Regelgrößen verwendet.
Besteht die Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer Vielzahl von Fermentern, so sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Steuer-/Regeleinheit die Temperatur von jedem einzelnen Fermenter und/oder die Beschickung jeden einzelnen Fermenters mit Füllmaterial derart steuert, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des von der Anlage erzeugten Biogases einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Hierdurch wird gleichfalls eine Optimierung des Prozessablaufs erreicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird insbesondere eingesetzt, um die Schallgeschwindigkeit des in einer Rohrleitung strömenden Gasgemisches über ein Ultraschall-Messverfahren zu bestimmen, wobei die Temperatur des in der Rohrleitung strömenden Gasgemisches bestimmt wird, wobei die Konzentration des Wasserdampfs in Abhängigkeit von der Temperatur bei der in der Rohrleitung herrschenden Luftfeuchte ermittelt wird, und wobei anhand der über das Ultraschall-Messverfahren ermittelten Schallgeschwindigkeit und anhand der Schallgeschwindigkeit, die sich durch Auswertung der idealen Gasgleichung ergibt, die Konzentrationen der Komponenten der beiden weiteren Komponenten des Gasgemischs bestimmt werden.
Ferner kann der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Gasgemisches unter Berücksichtigung der Konzentrationen der einzelnen Komponenten und des Volumen- oder Massedurchflusses durch die Rohrleitung bestimmt werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts,
2: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts
3: einen Längsschnitt durch einen Ultraschallsensor, der in Verbindung mit der in 1 gezeigten Ausführungsform eingesetzt wird,
4: einen Längsschnitt der in 2 gezeigten Ausgestaltung eines Temperatur- und Feuchtesensors,
5: eine Darstellung des in 2 gezeigten Ultraschall-Durchflussmessgeräts mit Regel-/Auswerteschaltung und
6: eine schematische Darstellung der Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Fermenter.
Der Einsatz von Ultraschall-Durchflussmessgeräten 21 zur Bestimmung des Volumen- oder Massedurchflusses Q eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch eine Rohrleitung 1 auf der Basis des Laufzeitdifferenzprinzips ist allgemein bekannt. Als Referenz sei auf das von T. Stauss herausgegebene Handbuch (ISBN 3-9520220-4-7) verwiesen. Ausführliche Information findet sich auch in dem von der von der Anmelderin herausgegebenen 'Durchfluss-Fibel'. Darüber hinaus werden von der Anmelderin Ultraschall-Durchflussmessgeräte unter der Bezeichnung PROSONIC FLOW angeboten und vertrieben.
Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei unterschiedliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 31 zur Analyse und zur Durchflussmessung eines Gasgemisches 2 verwendet wird. In 3 ist in Detaildarstellung der Ultraschallsensor mit integriertem Temperatursensor 4 aus 1 zu sehen. 4 zeigt in Detail-Darstellung den Temperatur-/Feuchtesensor 7 aus 2.
Bei den beiden Ausgestaltungen sind zur Bestimmung des Volumenstroms Q nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip zwei Ultraschallsensoren 4, 5 vorgesehen, wobei die beiden Ultraschallsensoren 4, 5 gegenüberliegend und axial zueinander versetzt an der Rohrleitung 1 oder an dem Messrohr befestigt sind. Alternierend senden und empfangen die beiden Ultraschallsensoren 4, 5 Ultraschall-Messsignale. Die Laufzeitdifferenz zwischen den Ultraschall-Messsignalen, die in Strömungsrichtung S und entgegen der Strömungsrichtung S ausgesendet und empfangen werden, ist ein Maß für den Volumenstrom Q des Gasgemisches 2 in der Rohrleitung 1.
Der wesentliche Unterschied bei den beiden in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausgestaltungen besteht darin, dass bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung davon ausgegangen wird, dass die relative Luftfeuchte RH des Gasgemisches 100% beträgt. Somit ist die Konzentration des Wasserdampfs in dem Gasgemisch 2 nur abhängig von der Temperatur T und der entsprechende Sättigungs-Dampfdruck kann einer Tabelle entnommen oder über eine entsprechende Formel gewonnen werden.
Um eine genauere Aussage hinsichtlich der Wasserdampf-Konzentration x_W zu erhalten, ist vorteilhafter Weise ein Drucksensor 32 vorgesehen. Anhand des gemessenen, eventuell vom Normaldruck abweichenden Drucks des Gasgemisches 2 in der Rohrleitung 1 lässt sich die Konzentration des Wasserdampfs x_W in dem Gasgemisch 2 exakt bestimmen.
Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung ist zusätzlich zu dem Temperatursensor 7 und ggf. dem Drucksensor 32 ein Luftfeuchtesensor 15 vorgesehen. Der Luftfeuchtesensor 15 stellt einen Messwert hinsichtlich der aktuellen Luftfeuchte RH in dem Gasgemisch 2 zur Verfügung. Somit lässt sich die Wasserdampf-Konzentration x_W in dem Gasgemisch 2 hochgenau bestimmen. Üblicherweise ist der Luftfeuchtesensor 15 als kapazitiver Sensor ausgestaltet. Die Fritte 16 schützt den Luftfeuchte- und Temperatursensor 7 vor mechanischer Zerstörung; sie verhindert die Kollision mit größeren Partikeln.
In 1 und in der in 3 gezeigten Detailansicht ist dargestellt, dass der Temperatursensor 35 in einem der beiden Ultraschallsensoren 4 integriert ist. Bei dem Temperatursensor 35 handelt es sich beispielsweise um ein RTD Element, einen Thermistor, ein Thermoelement oder um ein temperaturempfindliches Halbleiterelement. Der Temperatursensor 35 ist so in den Ultraschallsensor 4 integriert, dass er die Temperatur T des Gasgemisches 2 misst.
Der Ultraschallsensor 4 besteht aus einem piezoelektrischen Element 13 und einer Anpassschicht 14, wobei die Anpassschicht 14 die Ein- und Auskopplung der Ultraschall-Messsignale in das Gasgemisch 2 verbessert. Bevorzugt hat die Anpassschicht 14 eine Dicke, die einem Viertel der Wellenlänge der Ultraschall-Messsignale entspricht. Die Anpassschicht 14 ist so ausgestaltet, dass ihre akustische Impedanz zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 13 und der akustischen Impedanz des Gasgemisches 2 liegt.
Die Strömungsgeschwindigkeit V des Gasgemisches 2 lässt sich anhand des Laufzeitdifferenz-Prinzips nach folgender Formel berechnen:
Der Volumenstrom Q ergibt sich folglich aus der mathematischen Beziehung: Q = A·V Gleichung (1b)
Hierbei charakterisieren

t_up:: die Laufzeit der Ultraschall-Messsignale in Strömungsrichtung S;
t_dn:: die Laufzeit der Ultraschall-Messsignale entgegen der Strömungsrichtung S;
K:: eine das Strömungsprofil beschreibende Funktion – bei laminarer Strömung hat das Strömungsprofil üblicherweise die Form einer Parabel;
γ:: der Abstand zwischen den beiden Ultraschallsensoren 4, 5 bzw. die Länge des Schallpfades der Ultaschall-Messsignale zwischen den beiden Ultraschallsensoren 4, 5;
θ:: der Einkoppelwinkel der Ultraschall-Messsignale in die Rohrleitung 1 bzw. in das Messrohr, wobei der Einkoppelwinkel gleich dem Auskoppelwinkel ist.
A:: die Querschnittsfläche der Rohrleitung 1, die von dem Gasgemisch 2 durchströmt wird.

Die Schallgeschwindigkeit C_g des in der Rohrleitung 1 bzw. in dem Messrohr strömenden Mediums 2 lässt sich nach folgender Formel errechnen:
Die Schallgeschwindigkeit des Mediums 2 lässt sich darüber hinaus über die folgende Gleichung, die sog. Ideale Gasgleichung, berechnen:
Hierbei charakterisiert:

γ:: das spezifische Wärmekapazitätsverhältnis des in der Rohleitung 1 strömenden Gases;
R:: die universelle Gaskonstante (R = 8.3143 J/mol K);
T:: die absolute Temperatur in Kelvin;
M:: das Molekulargewicht des Gasgemisches in Kilogramm.

Die Schallgeschwindigkeit C_g eines aus drei Komponenten zusammengesetzten Gasgemisches lässt sich unter der Näherung, dass es sich bei dem Gasgemisch um ein ideales Gas handelt, folgendermaßen beschreiben:
und M = x₁M₁ + x₂M₂ + x₃M₃ Gleichung (6)
Hierbei charakterisieren:

γ₁,γ₂, γ₃:: die spezifischen Wärmekapazitätsverhältnisse der drei Komponenten des Gasgemisches,
M₁, M₂, M₃:: die Molekulargewichte der drei Komponenten des Gasgemisches,
x₁, x₂, x₃:: die Konzentrationen oder Molanteile der drei Komponenten des Gasgemisches 2, wobei definitionsgemäß zumindest näherungsweise die folgende Beziehung erfüllt ist:

x₁ + x₂ + x₃ = 1 Gleichung (7)

In einer Näherung wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Annahme getroffen, dass der Wasserdampf in dem Gasgemisch 2 gesättigt ist, d. h. dass die relative Luftfeuchte RH 100% beträgt. Somit kann die Konzentration von Wasserdampf x_w = x₃ mittels einer Tabelle oder einer entsprechenden Formel bestimmt werden, in der der Wasserdampfgehalt bzw. die Volumenprozent des Wasserdampfs in Abhängigkeit von der Temperatur T bei Normaldruck P aufgelistet bzw. berechenbar sind.

Temperatur °in Grad C	Sättigungs-Dampfdruck Ps in mb	Volumenprozent bei Normaldruck (1013 mb) in %
–10	2.86	0.3
0	6.11	0.6
10	12.2	1.2
20	23.3	2.3
30	42.3	4.2
40	73.5	7.3
50	122.9	12
60	198.4	20
70	310.6	31%
80	472.7	47%
90	701.2	69%
100	1013	100%

Ist die Temperatur bekannt, so kann die Konzentration des Wasserdampfs x_w nach folgender Formel berechnet werden:
Hierbei kennzeichnet:

P_S: = den Sättigungsdampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur bei Normaldruck;
P_T: = den Absolutdruck der in vielen Anwendungen dem Normaldruck (1013 mb) entspricht.

Ist der Wasserdampf in dem Gasgemisch nicht gesättigt, so ist es für eine genaue Messung erforderlich, die relative Luftfeuchte RH zu bestimmen. Eine Anordnung zur Luftfeuchtebestimmung ist im Detail in 4 zu sehen, wo der Luftfeuchtesensor 15 zusammen mit dem Temperatursensor 12 als kombinierter Temperatur- und Luftfeuchtesensor 7 ausgestaltet ist. Die Konzentration des Wasserdampfs x_W lässt sich mit Kenntnis der aktuellen Luftfeuchte RH nach folgender Formel berechnen:
Kombiniert man die Gleichungen (4), (5), (6) und (7) und ersetzt man x_w, M_w und γ_w durch x₃, M₃, and γ₃ so ergibt sich für die Konzentration der ersten Komponente des Gasgemisches x₁ die quadratische Gleichung:
k₂ = M₁ – M₂ k₃ = (1 – x_w)M₂ + x_wM_w
C_g ist bekannt aus Gleichung (2), und x_W ist bekannt durch die Gleichung (8) oder die Gleichung (9). Ebenfalls bekannt sind die spezifischen Wärmekapazitätsverhältnisse und die Molekulargewischte der drei Komponenten des Gasgemisches 2. Somit ist die quadratische Gleichung (10) lösbar.
Ist die Konzentration der ersten Komponente x₁ und die Konzentration des Wasserdampfs x_W bekannt, so lässt sich die Konzentration der zweiten Komponente x₂ in einfacher Weise aus Gleichung (7) errechnen: x₂ = 1 – (x₁ + x_w) Gleichung (11)
Somit lassen sich die Volumenanteile bzw. die Molanteile der drei Komponenten des Gasgemisches 2 bestimmen. Durch Kombination des Volumen- bzw. Molanteils mit der Strömungsgeschwindigkeit V des Gasgemisches 2, siehe hierzu Gleichung (1), lässt sich der Volumen- oder der Massedurchfluss Q₁, Q₂, Q₃ jeder einzelnen Komponente des Gasgemisches 2 bestimmen. Folglich ist auch der Volumen- bzw. der Massedurchfluss Q des Gasgemisches 2 durch die Rohrleitung 1 mit ausreichend hoher Genauigkeit bekannt.
5 zeigt die in 2 gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Regel-/Auswerteschaltung 18. Üblicherweise ist die Regel-/Auswerteschaltung 18 in den sog. Transmitter des Durchflussmessgeräts 31 integriert.
Die beiden Ultraschallsensoren 4, 5 arbeiten abwechselnd als Sender und Empfänger. Die Ansteuerung der Ultraschallsensoren 4, 5 erfolgt über den Multiplexer 27. In 5 ist der Fall dargestellt, dass der Ultraschallsensor 4 als Sender und der Ultraschallsensor 5 als Empfänger arbeitet. Über den Generator 23 und den Sendeverstärker 25 wird ein elektrisches Anregungssignal an das piezoelektrische Element 13 des Ultraschallsensors 4 angelegt. Die Anregung des piezoelektrischen Elements 13 erfolgt bei dessen Resonanzfrequenz. Der Ultraschallsensor 4 wird so angesteuert, dass er ein kurzes impulsförmiges Ultraschall-Messsignal aussendet. Die optimale Frequenz eines Ultraschall-Messsignals liegt im Bereich zwischen 50 kHz und 500 kHz.
Nach einer kurzen Laufzeit empfängt der Ultraschallsensor 5 den Schallimpuls. Das piezoelektrische Element 13 des Ultraschallsensors 5 wandelt den Schallimpuls in ein elektrisches Signal; dieses elektrische Signal wird zum Empfangsverstärker 26 geführt. Die gewünschte Verstärkung wird über einen Rückkoppelkreis 30 geregelt. Das verstärkte Empfangssignal wird über einen Analog-/Digital Wandler 24 in eine digitales Signal umgewandelt und der Auswerteeinheit 21 zur weiteren Bearbeitung und Auswertung zur Verfügung gestellt. Die Auswerteeinheit 21 errechnet die Laufzeit t_dn des Schallimpulses auf dem Schallpfad vom Ultraschallsensor 4 zum Ultraschallsensor 5.
Anschließend werden die Ultraschallsensoren über den Multiplexer 27 so angesteuert, dass nunmehr der Ultraschallsensor 5 als Sender und der Ultraschallsensor 4 als Empfänger arbeitet. In der zuvor beschriebenen Weise ermittelt die Auswerteeinheit 21 die Laufzeit t_up, die der Schallimpuls benötigt, um den Schallpfad zwischen dem Ultraschallsensor 5 und dem Ultraschallsensor 5 zu durchlaufen.
In einer der Auswerteeinheit 21 zugeordneten Speichereinheit ist Information über die Funktion K abgespeichert, die das Strömungsprofil bzw. die Geometrie des Messrohrs bzw. der Rohrleitung 1 in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit V zumindest in einer Vielzahl der Anwendungsfälle hinreichend genau beschreibt. Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, lässt sich die Funktion K auch messtechnisch bestimmen. Hierzu ist es erforderlich, dass mehr als ein Paar von Ultraschallsensoren 4, 5 an dem Messrohr bzw. an der Rohrleitung 1 vorgesehen sind.
Anhand der gemessenen Laufzeiten t_dn, t_up – ggf. gemittelt über mehrere Messzyklen – und anhand der abgespeicherten, das Strömungsprofil beschreibenden Funktion K bestimmt die Auswerteeinheit 21 über die Gleichung (1a), die Gleichung (1b) und die Gleichung (2) die Strömungsgeschwindigkeit V, den Volumendurchfluss Q und die Schallgeschwindigkeit C_g des Gasgemisches 2.
Die von dem Temperatursensor 35 und ggf. von dem Luftfeuchtesensor 15 gemessenen Temperaturwerte bzw. Luftfeuchtewerte werden von dem Temperaturschaltkreis 20 bzw. dem Luftfeuchteschaltkreis 19 an die Auswerteeinheit 21 weitergeleitet. Die Auswerteeinheit 21 löst Gleichung (8), Gleichung (9), Gleichung (10) und Gleichung (11) und errechnet unter Verwendung der gemessenen Schallgeschwindigkeit C_g, der abgespeicherten Gaskonstanten R und der weiteren bekannten Größen die Volumenanteile der drei wesentlichen Komponenten des Gasgemisches. Weiterhin stellt die Auswerteeinheit 21 Information über den Volumendurchfluss der einzelnen Komponenten des Gasgemisches 2 zur Verfügung. Die Werte werden auf der Anzeigeeinheit 22 angezeigt oder über entsprechende Verbindungsleitungen an eine übergeordnete Prozessleitstelle geführt.
6 zeigt die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Fermenter 33 in einer Anlage zur Erzeugung von Biogas. In dem Fermenter 33 befindet sich das Befüllmaterial 34. Hierbei handelt es sich um organische Stoffe, insbesondere um Speisereste, Silageeintrag und Jauche. Der Fermentationsprozess erfolgt bei einer vorgegebenen Temperatur. Das gewonnene Biogas wird über das Ableitrohr 1 in einen in 6 nicht gesondert dargestellten Gasspeicher geleitet. In dem Ableitrohr 1 ist das erfindungsgemäße Ultraschall-Durchflussmessgerät 31 montiert.
Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit 21 den Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases unter Berücksichtung der ermittelten Konzentration der einzelnen Komponenten und der Strömungsgeschwindigkeit V des Biogases in der Rohrleitung 1. Eine Meldung wird ausgegeben, wenn der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases einen vorgegebenen minimalen Grenzwert unterschreitet.
Die Regel-/Auswerteeinheit 21 stellt Regelgrößen zur Verfügung, über die die Temperatur in dem Fermenter 33 und/oder die Beschickung des Fermenters 33 mit Füllmaterial 34 geregelt wird. Insbesondere wird der Fermentationsprozess in dem Fermenter 33 so gesteuert, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Hierdurch lässt sich der Ablauf des Fermentationsprozesses optimieren.
Besteht die Anlage zur Erzeugung von Biogas aus einer Vielzahl von Fermentern 33, so regelt die erfindungsgemäßen Vorrichtung 31 die Temperatur von jedem einzelnen Fermenter 33 und/oder die Beschickung jeden einzelnen Fermenters 33 mit Füllmaterial 34 derart, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des von der Anlage erzeugten Biogases einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Hierdurch wird gleichfalls eine Optimierung des Prozessablaufs in der Biogas-Anlage erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung/Messrohr/Ableitrohr
2: Gasgemisch/Biogas
3: Montagestutzen
4: Ultraschallsensor mit Temperatursensor
5: Ultraschallsensor
6: Sensorhalterung
7: Temperatur- und Luftfeuchtesensor
8: Verbindungskabel
9: Koaxialkabel
10: Schweißnaht
11: Füllmaterial
12: Temperatursensor
13: Piezoelektrisches Element
14: Anpassschicht
15: Luftfeuchtesensor
16: Fritte
17: Längsachse der Rohrleitung/des Messrohrs
18: Regel-/Auswerteeinheit/Transmitter
19: Schaltkreis für die Luftfeuchtemessung
20: Schaltkreis für die Temperaturmessung
21: Auswerteeinheit
22: Anzeige-/Ausgabeeinheit
23: Signalerzeugung/Generator
24: A/D Wandler
25: Verstärker für den Sender
26: Verstärker für den Empfänger
27: Multiplexer
28: Verbindungsleitung
29: Verbindungsleitung
30: Rückkoppelkreis
31: Ultraschall-Durchflussmessgerät
32: Drucksensor
33: Fermenter
34: Füllmaterial/Biomaterial
35: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5392635 [0004]
EP 0686255 B1 [0016]
US 4484478 [0016]
DE 4335369 C1 [0016]
DE 29803911 U1 [0016]
DE 4336370 C1 [0016]
US 4598593 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISBN 3-9520220-4-7 [0034]

Claims

Vorrichtung der Prozess- und Automatisierungstechnik zur Bestimmung der Konzentrationen (x₁, x₂, x₃) von Komponenten eines Gasgemisches (2), das durch eine Rohrleitung (1) strömt, wobei sich das Gasgemisch (2) im wesentlichen aus drei Komponenten zusammensetzt, von denen eine Wasserdampf ist, wobei es sich bei dem Gasgemisch (2) um ein Biogas handelt, das im wesentlichen aus dem Komponenten Methan, Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, wobei ein Ultraschall-Durchflussmessgerät (31) vorgesehen ist, das die Schallgeschwindigkeit (C_g) des in einer Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) bestimmt, wobei eine Temperaturmesseinheit (12) vorgesehen ist, die die Temperatur (T) des in der Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) bestimmt, und wobei eine Auswerteeinheit (21) vorgesehen ist, die anhand der über eine Ultraschallmessung ermittelten Schallgeschwindigkeit (C_g) und anhand der Schallgeschwindigkeit (C_g) die sich durch Auswertung der idealen Gasgleichung ergibt, die Konzentrationen (x₁, x₂, x₃) der Komponenten des Gasgemisches (2) bestimmt, wobei die Auswerteeinheit (21) die Konzentration des Wasserdampfs (x₃) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) und der Luftfeuchte (RH) des Gasgemisches (2) ermittelt und die Konzentration (x₃) des Wasserdampfes bei der Bestimmung der Konzentrationen (x₁, x₂) der beiden weiteren Komponenten berücksichtigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (21) die Konzentration (x₃) des Wasserdampfes in Abhängigkeit von der Temperatur (T) unter der Annahme einer relativen Luftfeuchte (RH) von 100% ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Feuchtemesseinheit (15) vorgesehen ist, die die relative Luftfeuchte (RH) des in der Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) misst und wobei die Auswerteeinheit (21) die Konzentration (x₃) des Wasserdampfes in Abhängigkeit von der Temperatur (T) und der gemessenen relativen Luftfeuchte (RH) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Drucksensor (32) vorgesehen ist, der den Absolutdruck des in der Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) bestimmt und wobei die Auswerteeinheit (21) den gemessenen Absolutdruck bei der Bestimmung der Konzentration (x₃) des Wasserdampfes in dem Gasgemisch (2) berücksichtigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Rohrleitung (1) um ein Ableitrohr für das Gasgemisch (2) bzw. für das Biogas handelt, und wobei die Rohrleitung (1) im oberen Bereich eines Fermenters (33), in den Biomaterial (34) eingefüllt ist, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ultraschall-Durchflussmessgerät (31) so ausgestaltet ist, dass es die Strömungsgeschwindigkeit des in der Rohrleitung (1) strömenden Gasgemisches (2) noch dem Doppler- oder dem Laufzeitdifferenz-Prinzip ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Auswerteeinheit (21) anhand der ermittelten Konzentrationen (x₁, x₂, x₃) und der Molekulargewichte (M₁, M₂, M₃) der einzelnen Komponenten des Gasgemisches (2) bzw. des Biogases und anhand der ermittelten Strömungsgeschwindigkeit den Volumen- oder Massedurchfluss (Q) von zumindest einer der Komponenten des Gasgemisches (2) bzw. des Biogases ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Auswerteeinheit den Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases unter Berücksichtung der ermittelten Konzentration (x₁, x₂, x₃) der einzelnen Komponenten und der Strömungsgeschwindigkeit des Biogases (2) in der Rohrleitung (1) ermittelt und bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Anzeigeeinheit (22) vorgesehen ist, die eine Meldung ausgibt, wenn der Energiefluss bzw. die Energieproduktion des Biogases (2) einen vorgegebenen minimalen Grenzwert unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei eine Steuer-/Regeleinheit (18) vorgesehen ist, die Temperatur (T) in dem Fermenter und/oder die Beschickung des Fermenters mit Füllmaterial (34) so steuert, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion (P) des Biogases (2) einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anlage zur Erzeugung von Biogas (2) aus einer Vielzahl von Fermentern (33) besteht und wobei die Steuer-/Regeleinheit (18) die Temperatur von jeden einzelnen Fermenters (33) und/oder die Beschickung jedes einzelnen Fermenters (33) mit Füllmaterial (34) so steuert, dass der Energiefluss bzw. die Energieproduktion (P) des von der Anlage erzeugten Biogases (2) einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt.