DE3203781A1

DE3203781A1 - Vorrichtung zum korrigieren eines gemessenen einheitsvolumens eines gases auf ein grundvolumen

Info

Publication number: DE3203781A1
Application number: DE19823203781
Authority: DE
Inventors: Malcolm W. Edgewater Park N.J. Conforth; Robert S. Hatboro Pa. Jacobsen
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1982-02-04
Publication date: 1982-10-28
Also published as: US4390956A; FR2501365A1; CA1169561A; AU549340B2; GB2094521B; GB2094521A; JPS57158521A; FR2501365B1; AU8114682A; DK98682A

Description

Beschreibung

Vorrichtung zum Korrigieren eines gemessenen Einheitsvolumens eines Gases auf ein Grundvolumen.

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Gasströmungsmessungen und betrifft insbesondere die Korrektur eines gemessenen Einheitsvolumens eines durch eine Leitung strömenden Gases auf ein Grundvolumen bei gegebenen Grundbedingungen des Grunddruckes und der Grundtemperatur.

Gas ist ein kompressibles Medium, dessen Volumen sieh als Funktion der Temperatur und des Druckes nach bekannten physikalischen Gesetzen ändert. Da Gas eine kompressible Ware ist, müssen die Käufer und Verkäufer dieser Ware sich über dieselben Bedingungen einig sein. Um daher Gas zu verteilen und zu verkaufen, das verschiedenen Temperatur- und Druckverhältnissen ausgesetzt ist, müssen Berechnungen angestellt werden, um das gemessene Gasvolumen V_ in Kubikfuß bei den sich ändernden Bedingungen der Temperatur T_f und des Druckes P_f auf ein Standardvolumen V, in Kubikfuß bei einer bestimmten vorher verein-

barten Grundtemperatur T, und eines Grunddruckes P_b umzuwandeln.

Die Grundzustandsgleichung eines Gases lautet PV = WRTZ (1), wobei P der Druck, V das Volumen, W die Masse, R die Gaskonstante, T die Temperatur und Z die Kompressibilität bezeichnen.

Beim Umgang mit einem einfachen Gas wie beispielsweise N₂ oder O₂ kann sehr gut mit den klassischen Gasgesetzen gearbeitet werden, so daß der Wert Z nicht benötigt wird. Bei Gasgemischen und komplexen Kohlenwasserstoffen hat es sich jedoch herausgestellt, daß das Boyle-Mariott'sehe Gesetz und das Gay-

Lussac'sehe Gesetz fehlerhaft sind. Brenngase neigen dazu,

bis zu etwa 2000 psig, d.h. 140 Kp/cm überdruck leichter komprimiert zu werden, als diese Gesetze aussagen wurden, über diesem Druck ist die Tendenz umgekehrt. Die genauen Werte sind Funktionen des Druckes, der Temperatur und der Gaszusammensetzung. Der Unterschied zwischen den klassischen Gasgesetzen und der komplexen Gaskompression wird Kompressibilität oder Z genannt.

Aus Gleichung (1) kann die folgende Beziehung zwischen Grundbedingungen und den sich fließend verändernden Bedingungen ab-,.,,.. geleitet werden:

>_b ->_f K^ -^- ⁽v² <²¹

wobei Vr das Grundvolumen, V_f das gemessene unkorrigierte Volumen, P, der Gasüberdruck des strömenden Gases, P_ der atmosphärische Druck,P, der Grunddruck, T^ die Grundtempera tür in Grad Rankine, d.h. auf der absoluten Temperaturskala in Grad Fahrenheit, T_f die Temperatur des strömenden Gases in Grad Rankine und F der Superkompressibilitätsfaktor bezeich nen, der gleich

Grundwert Z ist.

laufender Wert Z

Der schwierige Teil der Berechnung des Grundvolumens nach Gleichung (2) besteht darin, den Superkompressibilitätsfaktor zu bestimmen, der eine Funktion der laufenden Temperatur,des laufenden Druckes sowie des spezifischen Gewichtes und der Zu sammensetzung des gemessenen Gases ist. Eine Möglichkeit der Bestimmung des Superkompressibilitätsfaktors besteht darin, ₃g5 Tabellen zu verwenden, wie sie beispielsweise in " Manual

for the Determination of Supercompressibility Factors for Natural Gas", PAR Research Projects NX-19, veröffentlicht von der American Gas Association enthalten sind. Wenn es jedoch erwünscht ist, die Korrektur der gemessenen Gasströmung zu automatisieren, ist es schwierig und kostenaufwendig, Tabellen zu verwenden. Es ist auch möglich, eine Reihe von Gleichungen zu benutzen, um den Superkompressibilitätsfaktor zu berechnen. In der US PS 4 173 891 ist ein derartiges automatisiertes System beschrieben, das einen Mikroprozessor enthält, um wiederholt den Superkompressibilitätsfaktor zu berechnen. Das Verfahren, das von diesem System verwandt wird, enthält eine Vielzahl von Berechnungsschritten für jede Berechnung der Grunderdgasströmung. Während jedes Berechnungsschrit tes wird ein Anfangsnäherungswert des Superkompressibilitätsfaktors oder ein vorher berechneter Wert dazu benutzt, eine Anzeige oder Angabe der Grunderdgasströmung zu berechnen, wobei jeder einzelne Rechenschritt nicht ausreicht, den Superkompressibilitätsfaktor neu zu berechnen, da diese Berechnung mehrere Schritte benötigt. Das beschriebene System hat daher den Nachteil, daß relativ viel Zeit jedesmal benötigt wird, wenn der Superkompressibilitätsfaktor zu berechnen ist. Weiterhin benötigt das System fünf Eingangsmeßimpulse für eine vollständige auszuführende Berechnung. Ein weiterer Nachteil des in der obigen Patentschrift beschriebenen Systems besteht darin, daß die Berechnungen unter Verwendung einer Gleitkomma-Arithmetik ausgeführt werden, was eine große Speicherkapazität erforderlich macht, die zu einer Zunahme der Kosten der Hardware des Systems führt.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen einer Gasströmung.

Durch die Erfindung soll insbesondere eine derartige Vorrichtung geschaffen werden, die automatisch die gemessene Gasströ-

mung auf bestimmte Grundtemperatur- und -druckbedingungen oder -Verhältnisse korrigiert.

Durch die Erfindung soll weiterhin eine derartige Vorrichtung geschaffen werden, bei der die korrigierten Werte leistungsfähig bzw. mit hoher Effektivität berechnet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll es weiterhin relativ einfach sein, Anpassungen auf verschiedene Grundbedingungen und Gaszusammensetzungen vorzunehmen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine derartige Vorrichtung, die an abgelegenen Meßplätzen verwandt werden kann, ohne daß eine äußere Energiequelle angeschlossen werden muß.

Das wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Korrigieren eines gemessenen Einheitsvolumens eines durch eine Leitung strömenden Gases auf ein Grundvolumen bei gegebenen Grundbedingungen des Grunddruckes und der Grundtemperatur erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt Temperatur-und Druckwandler, die Signale liefern, die ihren Meßwerten der Temperatur und des Druckes jeweils des strömenden Gases entsprechen. Ein Meßgerät, das in der Leitung liegt, mißt das nicht korrigierte Volumen des strömenden Gases und liefert der Vorrichtung einen Volumenimpuls auf ein gemessenes Einheitsvolumen des Gases ansprechend. Ein Satz von Konstanten, die aus den von dem Kunden gelieferten Informationen bezüglich der Grundbedingungen und des Gasgehaltes abgeleitet sind, sind in der Vorrichtung auf einer Diodenmatrixkarte gespeichert. Auf das Auftreten eines Volumenimpulses ansprechend, werden die gespeicherten Konstanten und die gemessenen Temperatur- und Druckwerte dazu benutzt, eine Reihe von Berechnungen auszuführen, um den Superkompressibilitätsfaktor und danach ein korrigiertes Volumen abzuleiten. Alle Berechnungen erfolgen unter Verwendung einer Ganzzahl- oder Festkomma-Arithmetik statt einer Gleitkanma-Arithmetik, um

den Speicher effektiv auszunutzen und eine Kostenersparnis zu erzielen. Der Ausgangsteil der Vorrichtung besteht aus einem ersten Zähler, der das nicht korrigierte Volumen angibt,und aus einem zweiten Zähler, der das korrigierte Volumen angibt.

Gemäß der Erfindung ist eine Prüfeinheit vorgesehen, die an die Vorrichtung angeschlossen werden kann und von dieser mit Energie versorgt wird. Die Prüfeinheit stört nicht die Arbeit der Vorrichtung oder des Meßgerätes. Die Prüfeinheit kann angeschaltet werden, um den laufenden Druck und die laufende Temperatur anzuzeigen, Grenzwertanzeigen zu löschen, Systemoperationen zu bestätigen und gleichfalls den Zähler der Vorrichtung zu prüfen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben:

Figur 1 zeigt die Anbringung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Volumenkorrekturvorrichtung und ihre Beziehung zu einem in der Leitung liegenden Meßgerät.

Figur 2 zeigt eine Prüfeinheit gemäß der Erfindung, die mit der in Figur 1 dargestellten Volumenkorrektüreinrichtung

verbindbar ist.

Figur 3 zeigt eine Diodenmatrixplatte, die einen Teil der Volumenkorrekturvorrichtung bildet und dazu dient, Konstanten zu speichern, die von den vom Kunden gelieferten Informationen abgeleitet werden.

Figur 4 zeigt das Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Volumenkorrekturvorrichtung und der Prüfeinheit, die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt sind.

Figur 5 zeigt in einem Flußdiagramm die Gesamtsystemarbeitsweise eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Volu

menkorrekturvorrichtung .

Figur 6 bis 11 zeigen Flußdiagramme der Unterprogramme, die einen Teil der Systemarbeitsweise bilden, die in Figur 5 dargestellt ist.

In der Zeichnung, in der ähnliche Bauelemente in verschiedenen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen sind, zeigt Figur eine Volumenkorrekturvorrichtung 20, die an einem Meßgerät 22 angebracht ist, das in einer Leitung 24 liegt, durch die ein Gas strömt. Das Meßgerät 22 kann von irgendeinem Typ sein, so lange es dem Erfordernis genügt, daß die Korrekturvorrichtung 20 eine langsame Eingangssignalübertragung von der Ausgangsregisterantriebswelle des Meßgerätes 22 benötigt. Die Korrekturvorrichtung 20 kann auch vom Meßgerät 22 entfernt angebracht sein, wobei in diesem Fall das Eingangssignal der Korrekturvorrichtung 20 ein elektrisches Schalterschliessen von der Ausgangsregisterantriebswelle des Meßgerätes 22 in allgemein bekannter Weise sein wird. An der Korrekturvorrichtung 20 liegen auch Eingangssignale von einem Temperaturwandler 26 und einem Druckwandler 28, die sich in die Leitung 24 erstrecken. Der Temperaturwandler 26 ist beispielsweise ein Wandler vom Modell AC2626K hergestellt von Analog Devices und ist in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut, die in einer rohrförmigen Edelstahlsoride aufgenommen ist und einen Ausgangsstrom erzeugt, der linear proportional der absoluten Temperatur ist. Der Druckwandler 28 ist beispielsweise ein Wandler vom Modell lTQH-24 hergestellt von Kulite Semiconductor Products und enthält ein Festkörpersensorelement, das aus einer monolithischen Wheatstone¹sehen Brücke in Form einer integrierten Schaltung besteht, die direkt auf einer Siliziummembran ausgebildet ist, wobei ein derartiger Wandler für verschiedene Meßbereiche in Abhängigkeit von dem· gewünschten Anwendungszweck zur Verfügung steht. Das Ausgangssignal des Druckwandlers 28 ist eine Spannung, die über den Meßbereich zu dem Druck des durch die Leitung 24 strömenden Gases in Beziehung steht.

Da die Korrekturvorrichtung 20 zur Verwendung an entfernt liegenden Stellen beispielsweise in einer einsamen Gegend ausgelegt ist, wo kommerziell verfügbare Energie nicht erhältlich ist, ist die Vorrichtung 20 so ausgebildet, daß sie von einer Batterie betrieben wird. Ein Solarbatterieladegerät 27 kann weiterhin über der Vorrichtung 20 angebracht vorgesehen sein. Wenn die um-

-Al -

schlossene Korrekturvorrichtung 20 dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt würde, würde ihre Innentemperatur auf einen unannehmbaren Wert ansteigen. Daher ist gleichfalls ein Sonnenschirm 29 vorgesehen, der die Vorrichtung 20 gegenüber den direkten Sonnenstrahlen schirmt.

Die Korrekturvorrichtung 20 hat als Ausgang zwei Zähler. Ein erster Zähler 30 ist ein mechanischer Zähler, der das unkorrigierte Volumen anzeigt. Der Zähler 30 wird durch die Drehung der Ausgangsregisterantriebswelle des Meßgerätes 22 erhöht. Wenn die Korrekturvorrichtung 20 nicht am Meßgerät 22 angebracht ist, ist der Zähler 30 für den unkorrigierten Wert durch das Originalmeßregister ersetzt. Der zweite Zähler 32 ist ein korrigierter Zähler in Form eines elektromechanischen oder elektronischen Zählers, der das korrigierte Volumen anzeigt. Er wird durch Signale erhöht, die in der Korrekturvorrichtung 20 auf Eingangssignale vom Meßgerät 22 und Berechnungen auf der Grundlage der gemessenen Temperatur und des gemessenen Druckes ansprechend erzeugt werden, wie es später im einzelnen beschrieben wird. Die Korrekturvorrichtung enthält gleichfalls eine Anzeige 33 für einen niedrigen Batterieladezustand.

Figur 2 zeigt eine Prüfeinheit 34, die ein tragbares Instrument darstellt, das im Innen- und im Außendienst dazu benutzt wird, die Arbeitsweise der Korrekturvorrichtung 20 zu prüfen. Die Prüfeinheit 34 enthält eine Kabel- und Steckereinrichtung 36, die in eine geeignete nicht, dargestellte Buchse in der Korrekturvorrichtung 20 gesteckt ist. Die Arbeitsenergie für die Prüfeinheit 34 wird von der Korrekturvorrichtung 20 erhalten. Die Prüfeinheit 34 weist eine numerische Anzeige 38 und eine Vielzahl von Prüfknöpfen 40,42,44,46 und 48 auf. Wenn die Prüfeinheit 34 mit der Korrekturvorrichtung 20 über die Steckerverbindungseinrichtung 36 gekoppelt ist, kann der Zähler 32 durch ein Drücken des Knopfes 40 überprüft werden. Wenn der Knopf 40 gedrückt wird, wird der Zähler 32 um einen Zählwert weitergeschaltet. Der laufende .Druck kann direkt an der Anzeige 38 durch ein Drücken des Knopfes 42 abgelesen werden. Die laufende Temperatur kann direkt in Grad

Celsius oder Grad Fahrenheit an der Anzeige 38 durch ein Drükken des Knopfes 44 abgelesen werden. Wenn der Knopf 46 gedrückt wird, zeigt die Anzeige 38 eine Zahl an, die als Zeichen für eine fehlerfrei arbeitende Korrekturvorrichtung 20 bestimmt ist. Wenn die Anzeige 38 zusammen mit Zahlen Doppelpunkte anzeigt, wenn irgendeiner der Knöpfe 42, 44 oder 46 gedrückt wird, zeigt das an, daß einige Zeit nach der letzten Prüfung entweder der Druck oder die Temperatur außerhalb bestimmter Grenzwerte gelegen hat. Die Anzeige von Doppelpunkten gibt nicht an, welcher · Parameter außerhalb des Grenzwertes gelegen hat, oder ob ein hoher oder niedriger Grenzwert überschritten wurde. Durch ein Drücken des Knopfes 48 verschwinden die Doppelpunkte von der Anzeige 38 und wird die Korrekturvorrichtung 20 rückgesetzt. Wenn die Knöpfe 46 und 48 gleichzeitig gedrückt werden, wird die Anzeige 38 eine Zahl anzeigen, die den Korrekturmultiplikationsfaktor für die gerade vorliegenden Druck- und Temperaturverhältnisse angibt. .

Wenn ein Kunde eine Korrekturvorriehtung 20 in Auftrag gibt, die an einer bestimmten Stelle einzusetzen ist, gibt der Kunde auch bestimmte Verhältnisse an dieser Stelle an. Der Kunde muß die Art des strömenden Gases, das zu messen ist, seine Zusammensetzung, den Bereich der Drucke, mit dem das Gas strömen wird, und die Grundtemperatur und den Grunddruck angeben, auf die das Strömungsvolumen zu korrigieren ist. Diese Werte werden dazu benutzt, eine Reihe von Konstanten zu berechnen, die in der Korrekturvorriehtung 20 für die anschließende Verwendung bei der Durchführung der Korrekturberechnungen gespeichert werden. Bevor die Arbeitsweise der Korrekturvorriehtung 20 weiter im einzelnen beschrieben wird, wird an dieser Stelle eine Beschreibung der mathematischen Grundlagen für die Arbeitsweise der Korrekturvorriehtung gegeben.

Eine Überprüfung der Kompressibilitätstabellen für irgendein Gas innerhalb des Bereiches, für den die Korrekturvorriehtung 20 zur Verwendung ausgelegt ist, liefert den Superkompressibilitätsfaktor, der proportional dem Druck dividiert durch die Temperatur ist. Es kann angenommen werden, daß die folgende Bezie-

·^:320378Ί

hung gültig ist: _p

^Fpv " ^{1 =} WT

Dann gilt: _p

^{Q s}

Eine Überprüfung einer Tabelle für die Werte Q ergibt, daß in dem betrachteten Temperaturbereich, d.h. T_f = 520 +_ 80 eine lineare Approximation von Q als Funktion von T_£ möglich ist. Tatsächlich sind zwei Approximationen erforderlich., nämlich eine für T_f unter einem gegebenen Wert und eine für T_f über einem gegebenen Wert. Es sei daher:

Q=S+ CT_f (5)

Zusätzlich können C und S als lineare Gleichungen ausgedrückt werden, die Funktionen des Druckes P^ sind. Dann kann die folgende Beziehung erhalten werden:

^Pf
S = K.₊₁+K. ^Z__ (6)

¹¹ ^x 256

^{und c =} ύ

wobei i = 1, wenn T^ kleiner als ein gegebener Viert ist,und i = 5, wenn T^ größer als der gegebene Wert oder gleich dem gegebenen Wert ist.

Auf der Grundlage der vom Kunden gelieferten Informationen werden daher die K Konstanten berechnet. Diese Konstanten K₁ bis K„ werden in der Korrekturvorrichtung 20 auf einer Diodenmatrixkarte 50 gespeichert, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. Zusätzlich wird eine Konstante K_q, die gleich 256 ist und in den Gleichungen (6) und (7) verwandt wird, auf der Karte 50 ge-

.'HS-

speichert. Die Karte 50 speichert diese Werte als binärkodierte Dezimalziffern (BCD), wobei dann, wenn Spannungen an die passenden Zuleitungen 52 gelegt werden, die Leitungen 54 wahlweise in bekannter Weise erregt werden. Die Matrixkarte 50 speichert zusätzlich den Grunddruckfaktor B, der gleich dem atmosphärischen Druck dividiert durch den Grunddruck ist, den maximalen überdruck, für die die Ablesungen genau sind, den Bereichsfaktor R des Druckwandlers 28, der gleich dem maximalen überdruck dividiert durch den Grunddruck ist, den Zählermultiplikationsfaktor und die Grundtemperatur T,. Diese Werte werden auf der Diodenmatrixkarte 50 dadurch gespeichert, daß wahlweise Dioden zwischen den Leitungen 52 und 54 in bekannter Weise im BCD-Format miteinander verbunden werden. Die Diodenmatrixkarte 50 kann auch durch einen programmierbaren Festspeicher ROM ersetzt werden.

Im folgenden werden die mathematischen Grundlagen beschrieben, die bei der Berechnung des Superkompressibilitätsfaktors und dementsprechend des korrigierten Volumens unter Verwendung des gemessenen Druckes und der gemessenen Temperatur sowie der auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeicherten Konstanten verwandt werden. Unter Verwendung der gespeicherten Konstantenwerten und des gemessenen Druckes und der gemessenen Temperatur werden die folgenden Berechnungen durchgeführt:

(8)

(9) (10)

(11)

1000

_o wobei R der Bereichsfaktor des Druckwandlers 28 ist, der auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert ist, P der gemessene Druck ist, der sich von Null bis 1000 als linearer Anteil des Bereiches des Druckwandlers 28 ändert, T, die Grundtemperatur in Grad Rankine ist,

^Xl	= RP	1000
		000Tj₃
X₂	= 1	^Tf
		+ B
^X3	= ^X1	^X3
^X4	= ^X2

die auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert ist, T_f die laufende Temperatur in Grad Rankine ist, die gleich der durch den Temperaturwandler 26 in Grad Fahrenheit gemessenen Temperatur zu züglich 460 ist,und B der Grundfaktor bezeichnet, der gleich dem atmosphärischen Druck geteilt durch den Grunddruck ist, wobei diese Konstante auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert ist.

Aus den Gleichungen (6) und (7) werden anschließend die Werte S und C berechnet, indem die Konstanten, die auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert sind, in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur, und der gemessene· Druck benutzt werden. Unter Verwendung der berechneten Werte für S und C und der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Druck werden die folgenden Gleichungen (12) bis (16) dazu benutzt, den Superkompressibilitätsfaktor F zu berechnen,
pv

(12)

(13) (14)

^C1 ⁼	CT_f
^C2 ⁼	1000
C ⁼	C₁ + s
^U4	T Γ ¹f^u2
F PV	10
10000P
^C3
10000 + C₄

15)

(16)

wobei P der Überdruck bezeichnet, der gleich dem gemessenen Druck P mal dem maximalen überdruck ist.

Die folgenden Gleichungen (17) und (18) werden anschließend da (17)

zu benutzt, das korrigierte Volumen V zu berechnen:

^(F)

10000

^X4^Fz (18)

10000

Um den Zähler 32 zu erhöhen, wird die folgende Gleichung (19) verwandt, um einen korrigierten Zählerstand V' zu erhalten, wobei M der Zählermultiplikationsfaktor ist, der auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert ist:

V-o-Zs ₍₁₉₎

c M

• 5 Die oben beschriebenen ^Berechnungen werden in der Volumenkorrekturvorrichtung 20 immer dann durchgeführt, wenn vom Meßgerät ein Impuls empfangen wird. Diese Berechnungen werden unter Verwendung einer Ganz zahl-oder Festkarana-Arithinetik durchgeführt, um die Kosten der Gleitkomma-Arithmetik zu vermeiden. Es wurde festgelegt, daß die Genauigkeit der obigen Berechnungen innerhalb +^ 0,1 % liegt.

In Figur 4 ist das Gesamtblockschaltbild der Volumenkorrekturvorrichtung dargestellt, die gemäß der Erfindung arbeitet, wie es oben beschrieben wurde. Alle Funktionen der Volumenkorrekturvorrichtung in Figur 4 werden über einen Mikroprozessor 100 gesteuert, der beispielsweise vom Typ 1802 hergestellt von RCA Corporation ist. Die Korrekturvorrichtung wird über eine Batterie 102 betrieben, wobei zur Herabsetzung des Batterieruhestromes der Temperaturwandler 26 und der Druckwandler 28 nur über den Versorgungsschalter 103 mit Energie versorgt werden, wenn der Mikrp prozessor 100 von diesen Wandlern Eingangssignale benötigt. Ein Beispiel der Anordnung zum Herabsetzen des Batterieruhestromes ist in der US PS 4 056 717 dargestellt, wobei bezüglich weiterer Einzelheiten auf diese Druckschrift verwiesen wird. Wenn immer ein Signal am Ausgang der Verriegelungsschaltung 104 über den Steuerschalter 106 am Mikroprozessor 100 liegt, beginnt dieser mit seinem internen Programm. Ein Ausgangssignal der Verriegelungsschaltung 104 tritt entweder auf eine Anforderung von der Prüfeinheit 34 oder einen Meßeingangsschaltimpuls über die Leitung 108 ansprechend auf. Der Meßeingangsschaltimpuls wird auf

die Umdrehung der Ausgangsregisterantriebswelle des Meßgerätes 25 ansprechend erzeugt. Das heißt beispielsweise, daß an dieser Welle ein kleiner Permanentmagnet angebracht ist. Eine Schalteinrichtung, die dicht am Magneten angeordnet ist, liefert zwei Impulse über die Leitung 110 für jede vollständige Umdrehung der Ausgangsregisterantriebswelle. Jede Umdrehung der Ausgangsregisterantriebswelle wird auch mechanisch den nicht korrigierten Zähler 30 in bekannter Weise erhöhen. Die Impulse über die Leitung 110 gehen durch eine Schmitt-Triggerschaltung 112, die als Quadrierungsschaltung und als Signalschwankungen beseitigende Schaltung wirkt, und liegen anschließend an einer durch zwei oder durch zwanzig teilenden Schaltung 114, so daß nur jeder zweite oder jeder zwanzigste Impuls die monostabile Multivibratorschaltung 116 auslösen wird, um die Verriegelungsschaltung 104 zu setzen. Der Grund dafür, daß eine Teilung durch zwanzig erforderlich ist, liegt darin/3aß es dann, wenn ein Meßgerät großer Kapazität mit einem Zehnfußantrieb verwandt wird, wünschenswert ist, die Anzahl der Eingangsimpulse an der Korrigiervorrichtung herabzusetzen, um die Batterien zu schonen. Die Verriegelungsschaltung 104 wird gleichfalls durch das Drükken irgendeines Knopfes 42,44 oder 46 gesetzt, wenn die Prüfeinheit 34 mit der Korrekturvorrichtung 20 verbunden ist. Der Mikroprozessor 100 wird durch ein Festprogramm gesteuert, das im Festspeicher ROM 120 enthalten ist. Ein Speicher mit direktem Zugriff RAM 122 wird für eine Kurzzeitspeicherung der Variablen und der Rechenergebnisse verwandt. Wenn immer ein Signal am Ausgang der Verriegelungsschaltung 104 vorliegt, beginnt der Mikroprozessor 100 mit seinem Programm. Ein Eingangsmeßimpuls hat immer höchste Priorität und wird immer verarbeitet, unabhängig von einer durch die Prüfeinheit 3 4 angeforderten Information. Die Datensammelleitung 124 ist eine Zweirichtungssignalvielfachleitüng vom Speicher ROM 120, dem Speicher RAM 122, dem Ausgangsteil 130 und dem Eingangsteil 123 zum Mikroprozessor 100. Die Wählschaltung 126 empfängt ein Ausgangssignal vom Mikroprozessor 100 und legt Signale an den Eingangsteil 128 oder den Ausgangsteil 130. Wenn der Eingangsteil 128 ge-

wählt ist, stehen dem Mikroprozessor 100 über den Analogdigitalwandler 132 die Daten vom Temperaturwandler 26, vom Druckwandler 28 und von der Diodenmatrix 50 zur Verfügung. Der Ausgangsteil 130 leitet Daten zur Anzeige 38 der Prüfeinheit, zum korrigierten Zähler 32 und tastet den Analogdigitalwandler 132 ab, um die Information über den Druck und die Temperatur umzuwandeln, wie es später beschrieben wird. Über den Multiplexer 136 ist der Druckwandler 28 über den Instrumentenverstärker 134 oder der Temperaturwandler 26 mit dem Analogdigitalwandler 132 verbunden.

Der Multiplexer 136 gibt entweder eine analoge Temperatur-oder Druckinformation an den Analogdigitalwandler 132 aus, der auf den Empfang eines Umwandlungsanfangssignals vom Ausgangsteil 130 mit der Umwandlung beginnt. Das Ausgangssignal vom Analogdigitalwandler 132 ist eine sequentielle binär kodierte Dezimalzahl ge- steuert durch das Abtasten vom Aüsgangsteil 130 auf den Empfang eines Umwandlungsendsignals vom Wandler 132.

Das Kennzeichen der Korrekturvorrichtung ist der Korrekturfaktor, der unter Verwendung von 50,5% des vollen Skalenwertes des maximalen Überdruckes, einer Temperatur von 505⁰R und allen den Werten erhalten wird, die vom Kunden geliefert und in Konstanten auf der Diodenmatrixkarte 50 umgewandelt sind. Dieses Kennzeichen wird berechnet und an der Anzeige 38 angezeigt, wenn die Prüfeinheit 24 an die Korrekturvorrichtung 20 angeschlossen ist und der Knopf 46 gedrückt wird. Ein Drücken des Knopfes 42 oder des Knopfes 44 bewirkt, daß der Mikroprozessor 100 entweder im Druck- oder Temperaturbetrieb gehalten wird und an der Anzeige 38 eine fortgeschriebene Information bezüglich des Druckes und der Temperatur anzeigt, so lange einer der Knöpfe 42 und 44 gedrückt ist, es sei denn, daß ein Meßeingangsimpuls auftritt. In dem Fall, in dem entweder der Druck oder die Temperatur außerhalb der Arbeitsgrenzwerte liegt, die durch das Programm im Festspeicher ROM 120 vorgegeben sind, wird die Grenzwertaufnahme-und-halteschaltung 140 gesetzt, die bewirkt, daß die Anzeige 38 Doppelpunkte anzeigt. Wenn der Grenzwertaufhebungsknopf 48 gedrückt wird, wird dadurch.

- Τ5 -

Ίο -

die Grenzwertaufnahrae-und-halteschaltung 140 rückgesetzt, so daß die Anzeige der Doppelpunkte verschwindet. Sollten jedoch weiterhin Verhältnisse vorliegen, bei denen einer der Parameter außerhalb des Arbeitsbereichs liegt, wird die Grenzwertaufnahme und-halteschaltung 140 unmittelbar auf das Freigeben des Grenzwertaufhebungsknopfes 48 rückgesetzt und kehrt die Anzeige der Doppelpunkte zurück. Ein gleichzeitiges Drücken der Knöpfe 46 und 48 simuliert einen Meßeingangsimpuls. Der Korrekturfaktor wird an der Anzeige 38 der Prüfeinheit angezeigt, ein Ausgangssignal zum korrigierten Zähler 32 wird jedoch unterdrückt.

Figur 5 zeigt in einem Flußdiagramm die Gesamtarbeitsweise des oben beschriebenen Systems. Diese Arbeitsweise wird durch den Mikroprozessor 100 gesteuert, der nach Maßgabe eines Programmes arbeitet, das im Festspeicher ROM 120 gespeichert ist. Wenn in der in Figur 5 dargestellten Weise die Korrekturvorrichtung das erstemal mit Energie versorgt wird, wird ein Initialisierungsprogramm durchgeführt. Der Mikroprozessor 100 kommt dann in seinen Warmstartzustand' WSTART, in dem er ein Signal vom Steuerschalter 106 erwartet, das die Verriegelungsschaltung 104 gesetzt ist.

Wenn ein derartiges Signal wahrgenommen wird, wird der Batteriezustand überprüft. Wenn der Batteriezustand in Ordnung ist, wird das Programm fortgesetzt. Wenn der Batterieladezustand schlecht ist, dann kehrt das Programm zum Zustand WSTART zurück und werden keine Rechenvorgänge ausgeführt. Wie es oben beschrieben wurde, hat der Eingangsmeßimpuls die erste Priorität. In dem Fall, in dem die Verriegelungsschaltung 104 auf einen Eingangsmeßimpuls ansprechend gesetzt wurde, muß der Mikroprozessor 100 anschliessend alle Daten sammeln, die er für eine Korrekturberechnung benötigt. Das sind die Daten vom Temperaturwandler 26, vom Druckwandler 28 und die Konstanten, die auf der Diodenmatrixkarte 50 gespeichert sind. Diese Daten, die als binär kodierte Dezimalzahlen vorliegen, werden in eine hexadezimale Form für die Berechnungszwecke umgewandelt. Diese Daten werden im Speicher mit direktem Zugriff RAM 122 gespeichert.

Als nächstes werden die Korrekturberechnungen ausgeführt. Zuerst wird das Unterprogramm PTCALC in Figur 6 ausgeführt. In diesem Unterprogramm berechnen die Blöcke 202, 204 und 206 den Wert X. nach Gleichung (8). Die Blöcke 208 und 210 berechnen den Wert X₃ nach Gleichung (10). Die Blöcke 212, 214 und 216 berechnen den Wert X„ nach Gleichung (9) . Schließlich berechnen die Blöcke 218 und 220 den Wert X₄ nach Gleichung. (11). Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden anschließend für eine spätere Verwendung gespeichert, wie es durch den Block 222 dargestellt ist. Das Programm kehrt dann zum Hauptprogramm zurück, dessen nächster Programmschritt darin besteht, die Berechnung der Superkompressibilität unter Verwendung des Unterprogramms FPVCLC in Figur 7 durchzuführen. In diesem Unterprogramm wird zunächst bestimmt, ob die gemessene Temperatur kleiner oder grösser. als ein gegebener Wert ist, so daß der richtige Wert von i für die Gleichungen (6) und (7) verwandt wird. Zunächst dient das Unterprogramm CPGAGE in Figur 8 dazu, den Überdruck zu berechnen. Anschließend wird das Unterprogramm TYPCLC in Figur 9 dazu verwandt, den Wert S nach Gleichung (6) zu berechnen. Anschließend wird wiederum unter Verwendung des Unterprogramms TYPCLC der Wert C nach Gleichung (7) berechnet. Wie es im Block 224 dargestellt ist, wird danach der Werte, nach Gleichung (12) berechnet. Wie es im Block 226 dargestellt ist, werden anschliessend die Werte C₃ und C₃ nach den Gleichungen (13) und (14) berechnet. Unter Verwendung der Gleichung (15) wird der Wert C₄ berechnet, wie es im Block 228 dargestellt ist. Anschließend wird nach Gleichung (16) der Wert F berechnet, wie es im Block 230 dargestellt ist. wie es im Block 232 dargestellt ist, wird dann der Wert F nach Gleichung (17) berechnet. Wie es im Block 234 dargestellt ist, wird schließlich das korrigierte Volumen nach Gleichung (18) berechnet. Die Steuerung kehrt dann zum Hauptprogramm zurück.

Nachdem das korrigierte Volumen berechnet ist, wird das Unterprogramm COUNT (Figur 10) aufgerufen, um den korrigierten Zähler 32 fortzuschreiben. Wie es in Figur 10 dargestellt ist, wird

das berechnete korrigierte Volumen einem Restwert von einer vorhergehenden Berechnung zuaddiert. Diese Summe wird dann durch den Zählermultiplikationsfaktor dividiert, was zu einem ganzzahligen Zählwert zuzüglich eines neuen Restes führt, die beide im Speicher mit direktem Zugriff RAM 122 gespeichert werden. Der ganzzahlige Zählwert dient dazu, den korrigierten Zähler 32 zu erhöhen. Die Steuerung kehrt dann zum Hauptprogranun zurück, das im Zustand WSTART bleibt, in dem es einen weiteren Eingangsimpuls vom Steuerschalter 106 erwartet.

Wenn die Verriegelungsschaltung 104 auf ein Eingangssignal von der Prüfeinheit 34 und nicht als Ergebnis eines Meßeingangsimpulses gesetzt ist, prüft der Mikroprozessor 100, ob der Druckknopf 42, der Temperaturknopf 44 oder der Sy sternprüf knopf 4 6 gedrückt wurde, wie es in Figur 5 dargestellt ist. Figur 11 zeigt das Unterprogramm,mit dem auf das Drücken der Knöpfe 42, 44 und 46 geantwortet wird. Wenn der Druckknopf 4 2 gedrückt ist, wird das Unterprogramm TPRESS ausgeführt. Zunächst werden geeignete Daten vom Druckwandler 28 und der Diodenmal" rixk arte 50 gewonnen und in eine hexadezimale Darstellung umgewandelt. Die Druckdaten werden dann überprüft, um festzustellen, ob sie in geeigneten Grenzen liegen. Wenn das der Fall ist, wird das Unterprogramm CPGAGE (Figur 8) aufgerufen, um den Überdruck zu berechnen. Der berechnete überdruck in hexadezimaler Darstellung wird anschliessend in eine binär kodierte Dezimaldarstellung umgewandelt und an der Anzeige 38 dor Prüfeinheit 34 angezeigt. Das wird für Rechen- und Prüfzwecke verwandt. Das Programm kehrt dann zum Zustand WSTART zurück.

Wenn der Temperaturknopf 42 gedruckt ist, wird das Unterprogramm TTEMP (Figur 11) ausgeführt. Zunächst werden Temperaturdaten vom Temperaturwandler 26 erhalten, in eine hexadezimale Darstellung umgewandelt und überprüft, um festzustellen, ob sie innerhalb der vorgeschriebenen Grenzwerte liegen. Anschließend wird die Temperatur in Grad Fahrenheit umgewandelt und ciarauf hin in

eine binär kodierte Dezimaldarstellung umgewandelt, in welcher Form die Temperatur an der Anzeige 38 angezeigt wird. Das dient für Rechen- und Prüf zwecke.· Das Programm kehrt dann zum Zustand WSTART zurück.

Wenn der Sy steinprüf knopf 46 gedrückt war, bewirkt das Programm, daß das Unterprogramm TTEST (Figur 11) ausgeführt wird. Zuerst werden Daten von der Diodenma'trixkarte 50 gewonnen und wird statt der Temperatur-und Druckablesungen die feste Konstante 0505 auf die Datensammelleitung 124 über den Eingangsteil 123 aufgegeben. Als nächstes werden die Berechnungen im Rechenblock von Figur 5 ausgeführt. Das sollte zu einem bestimmten Kennzeichen für die Volumenkorrekturvorrichtung führen. Dieses Kennzeichen wird in binärkodierte Dezimaldarstellung umgewandelt und an der Anzeige 38 angezeigt. Das Programm kehrt dann zum Zustand WSTART zurück.

Wenn sowohl der Systemprüfknopf 46 als auch der Grenzwertaufhebungsknopf 48 gleichzeitig gedrückt werden, bewirkt das Programm, daß das Unterprogramm TTEST (Figur 11) ausgeführt wird. Die Wahrnehmung der gleichzeitigen Betätigung der Knöpfe bewirkt jedoch, daß das Programm die Druck- und Temperaturwandler 28, 26 abliest, anstatt eine feste Zahl 0505 am Eingängsteil 123 vorzulegen, wobei der sich ergebende Rechenvorgang entsprechend dem Rechenblock in Figur 5 abläuft. :

Alle Berechnungen, die oben beschrieben wurden, werden unter Verwendung einer Ganzzahlarithmetik statt einer Gleitkomma-Arithmetik ausgeführt. Es wird daher sehr viel Speicherplatz im Festspeicher ROM 120 eingespart, was zu einer Kostenersparnis führt. Bei einer Ganzzahlarithmetik ist 3 : 2 = 1., d.h. geht 0,5 verloren. Wenn jedoch irgendwo im Verfahren eine Multiplikation mit 10 erfolgt. läßt sich stattdessen sagen 30 : 2=15, Bei den oben beschriebenen Berechnungen gibt es daher viele Multiplikationen und Divisionen mit dem Faktor 10. Die Gesamtabbrechungsfehler sind jedoch nicht groß, so daß die Berechnungen innerhalb +_ 0,1 % bis zu

2
1000 psi, d.h. 70 Kg / cm für alle Temperaturen T_f liegen. Von

1000 bis 1500 psi, d.h. für 70 Kg/cm² bis 105 Kg/cm² und fliessende Temperaturen über 0° Fahrenheit liegen alle Berechnungen innerhalb +^ 0,1%. Alle Genauigkeiten sind über einen Umgebungstemperaturbereich von -40⁰F bis +140⁰F gültig.

Durch die Erfindung werden daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Korrigieren eines gemessenen Einheitsvolumens eines strömenden Gases auf ein Grundvolumen bei gegebenen Grundbedingungen des Grunddruckes und der Grundtemperatur geschaffen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1y Vorrichtung zum Korrigieren eines gemessenen Einheitsvolumens eines durch eine Leitung strömenden Gases auf ein Grundvolumen bei gegebenen Grundbedingungen des Grunddruckes und der Grundtemperatur gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zum Messen des Volumens des strömenden Gases und zum Liefern eines Volumenimpulses auf die Messung des Einheitsvolumens ansprechend, eine Einrichtung (26), die auf den Volumenimpuls anspricht, um die Temperatur des strömenden Gases zu messen und ein erstes der gemessenen Temperatur entsprechendes elektrisches Signal zu liefern, eine Einrichtung (28), die auf den Volumenimpuls anspricht, um den Druck des strömenden Gases zu messen und ein dem gemessenen Druck entsprechendes zweites elektrisches Signal zu liefern, eine Einrichtung, die eine erste Vielzahl von konstanten Werten speichert, eine Einrichtung, die auf den Volumenimpuls anspricht,

TELEFON (Οββ) M 2β 02

TELEX Οβ-» 3*0

um die gespeicherte erste Vielzahl von konstanten Werten und die gemessenen Druck- und Temperaturwerte dazu zu benutzen, einen zweiten konstanten Wert zu berechnen, eine Einrichtung, die die gespeicherte erste Vielzahl von konstanten Werten und den gemessenen'Druckwert benutzt, um eine dritte Vielzahl von konstanten Werten zu berechnen, eine Einrichtung, die die berechnete dritte Vielzahl von konstanten Werten und die gemessenen Druck- und Temperaturwerte dazu benutzt, einen Superkompressibilitätsfaktor zu berechnen, eine Einrichtung, die den Superkompressibilitätsfaktor und.den zweiten berechneten konstanten Wert dazu benutzt, einen Korrekturfaktor zu berechnen und eine Einrichtung, die ein korrigiertes Volumen aus dem gemessenen Volumen und dem Korrekturfaktor ableitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekenn zeichnet durch einen Zähler (32), eine Einrichtung zum Umwandeln des korrigierten Volumens in eine ganze Zahl von Zählschritten für den Zähler (32) plus eines Restes, eine Einrichtung (122) zum Speichern des Restes und eine Einrichtung zum Erhöhen des Zählers um die ganze Zahl an Zählschritten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungseinrichtung den vorher gespeicherten Rest zu dem korrigierten Volumen vor der Umwandlung zuaddiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Speichereinrichtung eine austauschbare Diodenmatrixplatte (50) einschließt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung einen programmierbaren Festspeicher einschließt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine Anzeige (38) und durch ein von der Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (42), wobei die Vorrichtung auf die Betätigung des Schaltelementes (42) anspricht, um die An- zeige i(38) so zu betätigen, daß diese den Druck des strömenden Gases anzeigt.
7. Vorrichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Anzeige (38) und ein durch die Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (44), wobei die Vorrichtung auf die Betätigung des Schaltelementes (44) anspricht, um die Anzeige (38) so zu betätigen, daß diese die Temperatur des strömenden Gases anzeigt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1» gekennzeichnet durch eine Anzeige (38) und ein von der Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (46), wobei die Vorrichtung auf die Betätigung des Schaltelementes (46) anspricht, um den Korrekturfaktor unter Verwendung bestimmter Werte für die Temperatur und den Druck des strömenden Gases zu berechnen und die Anzeige (38) so zu betätigen, daß diese den berechneten Korrekturfaktor anzeigt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch eine Anzeige (38) und ein von der Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (46,48), wobei die Vorrichtung auf die Betätigung des Schaltelementes (46,48)anspricht, um den Korrekturfaktor unter Verwendung der gemessenen Druck- und Temperaturwerte zu berechnen und die Anzeige (38) so zu betätigen, daß diese den berechneten Korrekturfaktor anzeigt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein von der Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (40), wobei die Vorrichtung auf die Betätigung des Schaltelementes (40) anspricht, um den Zähler (32) zu erhöhen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 gekennzeichnet durch eine Einrichtung (120) zum Vorgeben von Bereichsgrenzen für die Temperatur und den Druck des strömenden Gases, ein Verriegelungsglied (104), eine Einrichtung, die darauf anspricht, daß entweder die Temperatur oder der Druck außerhalb ihrer jeweiligen Bereiche liegt, um das Verriegelungsglied (104) zu setzen, eine Einrichtung, die auf die Betätigung des Schaltelementes (4 2,44) anspricht, wenn das Verriegelungsglied (104) gesetzt ist, um die Anzeige (38) so zu betätigen, daß diese ein Fehlerkennzeichen anzeigt, ein zweites von der Bedienungsperson betätigbares Schaltelement (48) und eine Einrichtung, die auf die' Betätigung des zweiten Schaltelementes (48) anspricht, um das Verriegelungsglied (104) rückzusetzen.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige (38) und das von der Bedienungsperson betätigbare Schaltelement (4 0,42, 44,46,48) in einer separaten Prüfeinheit (34) enthalten sind und daß weiterhin eine Einrichtung (36) zum Koppeln der Prüfeinheit (34) mit der Vorrichtung (20) und eine Einrichtung vorgesehen sind, die die Prüfeinheit (34) über die Kopplungseinrichtung (36) mit Energie versorgt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß alle Berechnungen von einem programmierten digitalen Computer unter Verwendung einer Ganzzahlarithmetik ausgeführt werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Batterie, die die Vorrichtung (20) mit Energie versorgen kann,und eine Einrichtung, die zwischen die Batterie und die Vorrichtung (20) geschaltet ist, um die Batterieenergie der Vorrichtung nur auf den Volumenimpuls ansprechend zu liefern.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie wiederaufladbar ist und daß weiterhin eine Einrichtung (27) zum Wiederaufladen der Batterie vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederaufladeinrichtung (27) solar betrieben ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum überwachen des Zustandes der Batterie und durch eine Einrichtung, die darauf anspricht, daß der Batteriezustand unzureichend ist, um alle Berechnungen durch die Vorrichtung zu unterdrücken.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (3 3) zum Liefern einer Sichtanzeige, wenn der Batteriezustand unzureichend ist.