DE3935552A1

DE3935552A1 - Verfahren und anordnung zum bestimmen der dichte eines gases

Info

Publication number: DE3935552A1
Application number: DE3935552A
Authority: DE
Inventors: Donald R A Jones
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-19
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1990-06-21
Also published as: GB2226142A; US4934178A; JPH02190743A; AU3942189A; FR2640752A1; GB8908630D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung der Dichte eines Gases oder eines Gasgemischs zwecks genauer Bestimmung der Mas senströmung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Eichung von Gasströmungsmessern am Ort.

Bei der Verteilung von gewerblich genutztem Gas wie Erdgas müs sen von Zeit zu Zeit die Strömungsmeßgeräte, mit denen der Gas verbrauch ermittelt wird, nachgeeicht werden. Bisher standen hierzu nur komplizierte, teure und schwere Geräte zur Verfügung (bspw. das Solartron-Densitometer Modell 7810).

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die Schwierigkeiten mit be kannten Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Gasströ mungen beseitigen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Ver fahren anzugeben, das eine genaue Messung einer Gasströmung erlaubt und hierzu eine genau arbeitende, im Gewicht leichte und einfach zu behandelnde Anordnung verwendet.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß die Unterschall-Mas senströmung eines Gases durch eine Öffnung mit "Quadratwurzel"- Drosselung (bspw. eine Venturidüse) eine Funktion der Quadrat wurzel der Dichte ist. Die Zeit, die ein Gas braucht, um aus einem geschlossenen Gefäß durch eine Unterschall-Drosselstelle zu strömen, ist also von der Dichte des Gases abhängig.

Die Strömung kann einwärts zu einer Bezugskammer oder aus dieser heraus erfolgen. Bei dem erforderlichen Element handelt es sich um eine oder mehrere "Quadratwurzel"-Venturidüsen oder sonstige Quadratwurzel-Drosselstellen. Natürlich müssen der Druck und die Temperatur des Gases in der Bezugskammer anfäng lich genau bekannt sein und während des Druckanstiegs oder -abfalls in der Kammer verfolgt werden. Bei einem Druckabfall system muß die Kammer mit dem Gas, dessen Strömung bestimmt werden soll, gründlich gespült werden, bevor das Verfahren zur Bestimmung der Dichte (und damit die Massenströmung) des Gases angewandt wird. Beim Druckanstiegssystem muß vor Beginn der Messung der Druck in der Kammer auf den Atmosphärendruck ge senkt werden. In beiden Fällen besteht ein Zusammenhang zwi schen der Dichte des Gases und der Zeit der Druckänderung zwi schen zwei vorbestimmten Druckniveaus. Eine Kombination von Unterschall- und Schall-Venturidüsen kann für eine kontinuier liche Messung der Gasdichte eingesetzt werden. Mit diesem Ver fahren ist die Gasströmung durch die Unterschall-Drosselstelle proportional zur Quadratwurzel der Gasdichte, die Strömung durch die angeschlossene Schall-Drosselstelle jedoch direkt proportional zur Gasdichte. Dadurch ist eine kontinuierliche Messung der Gasdichte möglich. Diese Systeme erfordern eine Eichung mit reinen Gasen unterschiedlicher Dichten. Die Schall- Drosselstelle (Venturidüse) stellt den Bezug dar. Aus den durch Überwachung des Gasdrucks, der Druckdifferenz über der Drossel stelle und der Gastemperatur in der Bezugskammer erhaltenen Werten kann dann die Gasdichte nach einfachen rechen- und steu ertechnischen Verfahren mit einem Computer bestimmt werden.

Das System wird anfangs mit reinen Bezugsgasen geeicht und die Grundwerte im Rechner gespeichert. Dieser Rechner stellt auch den Zusammenhang zwischen der für die Druckänderung erforderli chen Zeit und der Ist-Dichte her und gibt die Ergebnisse im ge wünschten Format aus.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen aus führlicher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Systemplan einer Anordnung zur Bestimmung der Dichte eines Gases nach dem Druckabfall-Verfahren;

Fig. 2 ist ein Systemplan einer Anordnung zur Bestimmung der Dichte eines Gases nach dem Druckanstieg-Verfahren;

Fig. 3 ist ein Systemplan einer Anordnung zur halbkontinuier lichen Bestimmung der Dichte eines Gases bei bestimmten Arbeitsbedingungen;

Fig. 4 ist ein Systemplan einer Anordnung zur kontinuierlichen Bestimmung der Dichte eines Gases bei einem niedrigeren als dem Leitungsdruck; und

Fig. 5 ist ein Systemplan eines 2-Kammer-Systems zur Messung einer Gasdichte nach einem kombinierten Druck-Abfall- und Druckanstieg-Verfahren.

Wie die Fig. 1 zeigt, wird das Gas, dessen Dichte bestimmt wer den soll, mit dem Gaszulaufrohr 10 auf einen Regler 12 gegeben, dessen Ausgangsgröße das Objektgas mit einem niedrigen vorbe stimmten Druck ist, den das Instrument 14 anzeigt. Über ein rechnergesteuertes Druckregelventil 16 geht das Gas mit dem vorbestimmten Druck in den Verbinder 18. Der Druck des Gases im Verbinder 18 wird mit einem Druckwandler 20 erfaßt und diese Information auf den Steuerrechner 22 gegeben, der sie verarbei tet. Die Temperatur des Gases am Verbinder 18 wird von einem Temperaturfühler 24 erfaßt und ebenfalls zwecks Verarbeitung an den Steuerrechner 22 übergeben.

Die Temperatur und der Druck im Verbinder 18 sind natürlich die Temperatur und der Druck des Gases in der Bezugskammer 26 mit bekanntem bzw. geeichtem Volumen. Wegen des bekannten Zusammen hangs zwischen der Temperatur und dem Druck eines Gases muß der Steuerrechner 22 das effektive Volumen auf Schwankungen des Temperaturmeßwerts abstimmen.

Bevor Daten zur Dichtebestimmung aufgenommen und verarbeitet werden können, müssen Fremdgase aus der Bezugskammer 26 und dem Rest des Systems entfernt werden. Zu diesem Zweck werden das Spülventil 28 und das Ablaßventil 30 geöffnet, so daß ein Gas kurzzeitig durch die und aus der Bezugskammer 26 herausströmen kann, bis erfahrungsgemäß alle Luft aus dem System entfernt worden ist und nur das Objektgas dort verbleibt. Das Spülventil 28 und das Ablaßventil 30 lassen sich mit dem Steuerrechner 22 folgeschalten, dem diese Steuer- sowie die Datensammel- und -verarbeitungsfunktionen obliegen.

Die Ventile 19, 28 und 30 werden dann geschlossen, bis der Druck in der Bezugskammer 26 den gewünschten Anfangswert er reicht. Das Ventil 30 wird geöffnet und die Zeitsteuerfunktion beginnt bei einem vorbestimmten Druck gleichzeitig mit dem Öff nen des Ventils 30. Sodann werden der Druck und die Temperatur in der Bezugskammer 26 während des Druckabfalls über ein sinn volles Druckintervall entsprechend dem der anfänglichen Eichung des Systems bspw. vom Steuerrechner 22 überwacht. Der Gasaus tritt erfolgt mit Unterschallgeschwindigkeit durch eine Dros selstelle 32, bei der es sich bevorzugt um eine Öffnung mit einem Durchmesser von 0,508 mm (0,020 in.) oder eine andere Quadratwurzel-Drosselstelle handelt. Die Zeit für einen Druck abfall in der Bezugskammer 26 über das vorbestimmte Intervall wird entsprechend einem auf einer Eichung basierenden empiri schen Zusammenhang in Beziehung zur Dichte des Gases gesetzt.

Tests mit einem Druckinterval von 101,6 mm (4 in.) Wasser (127,0 mm (5 in.) H₂O auf 25,4 mm (1 in.) H₂O) und einer Be zugskammer mit einem Volumen von 0,071 m³ (0,25 cu.ft.) zeigen eine Zeitschwankung von 7,55 bis 8,95 s bei einer Zunahme des spezifischen Gewichts ("specific gravity") des Gases von 0,5 bis 0,7. Diese Zeitspanne erlaubt eine sehr genaue Messung der Gasdichte nach dem Druckabfallverfahren. Die Zeitdifferenz läßt sich durch Ändern des Volumens der Bezugskammer 26 und/oder der Größe der Drosselstelle 32 verändern. Der Steuerrechner 22 hat einen Ausgang 34 zur Darstellung der Druck-Zeit-Funktion.

Es sei nun auf die Fig. 2 verwiesen. Der Zusammenhang zwischen der Gasdichte und der Schnelligkeit einer Gasdruckänderung an einer Drosselstelle bei Unterschallgeschwindigkeit läßt sich benutzen, wenn der Gasdruck in einer Bezugskammer steigt, an statt zu fallen. In der Fig. 2 wird das Gas in der Pipeline 40 durch Öffnen des Handventils 42 in ein erfindungsgemäßes Dich tebestimmungssystem eingelassen. Sodann werden das elektrische Ventil 44 und das Ablaßventil 46 geöffnet, um die Bezugskammer 58 zu spülen und auf den Atmosphärendruck zu bringen. Dann wird das Ventil 46 geschlossen. Der mit dem Ventil 44 gekoppelte Regler liefert das Objektgas mit einem vorbestimmten Gasdruck (entsprechend der Messung mit einem Druckfühler oder Instrument 50) an eine Quadratwurzel-Drosselstelle 52, deren Druckabfall mit einem Fühler oder Instrument 54 erfaßt wird. Der Drucksen sor bzw. das Instrument 56 mißt den Druck in der Bezugskammer 58 über einen Koppler 59. Der zeitliche Anstieg dieses Drucks über ein vorbestimmtes Druckintervall entsprechend dem der Eichung wird gemessen. Die zum Anstieg des Drucks über dieses Intervall erforderliche Zeitspanne ist ein Maß für die Dichte des Gases in der Pipeline 40 an (entsprechend einer vorherigen Eichung). Der Vorteil dieses Systems gegenüber dem der Fig. 1 ist, daß es ein geringeres Spülgasvolumen erfordert und die resultierenden Dichtewerte sich schneller erzielen lassen.

In der Fig. 3 wird eine Gasdichte auf halbkontinuierlicher Ba sis ermittelt. Ein Konstantgeschwindigkeitsmotor 60 treibt einen Kolben 62 mit fester Geschwindigkeit an, so daß das Vo lumen auf der Rückseite der Quadratwurzel-Öffnung 64, die un mittelbar an die Pipeline 66 angeschlossen ist, sich konstant und gleichmäßig ändert. Der Druckabfall über der Öffnung 64, den ein Sensor oder Instrument 68 bei der Bewegung des Kolbens 62 im Bellofram 70 (eine Kombination einer Membran und eines Balgens) erfaßt, variiert zyklisch zwischen null und einem Maximum. Aus der Änderung des Druckabfalls infolge der Bewegung des Kolbens 62 läßt sich die Dichte des Gases in der Pipeline 66 bestimmen. Die Temperatur in der Pipeline 66 wird mit einem Sensor oder Instrument 72, der dort herrschende Gasdruck mit einem Sensor oder Instrument 74 erfaßt. Die Leitung 76 ist eine Ausgleichsleitung, die den Bellofram vor zu hohen negativen Druckunterschieden schützt. Das Gas wird zur Kompression in den Bellofram 70 durch die Leitung 78 mit dem Ventil 80 eingeführt.

Die Fig 4 zeigt ein System zur kontinuierlichen Gasdichtemes sung.

Ein handbetätigtes Ventil 80, wenn geöffnet, läßt Gas aus der Pipeline 82 in das Dichtemeßsystem. Das Ventil 84 kann durch einen Steuerrechner wie den in Fig. 1 gezeigten gesteuert wer den. Vom Ventil 84 geht das Gas auf einen Präzisionsregler 86, dessen Ausgang an eine Quadratwurzel-Öffnung 88 angeschlossen ist. Von der Öffnung 88 strömt das Gas auf eine Schall-Venturi düse 90 und aus dieser an den Ablaß 92. Die Temperatur des zur Quadratwurzel-Drosselstelle 88 strömenden Gases wird mit dem Sensor bzw. Instrument 94, sein Druck mit einem Sensor bzw. In strument 96 und die Druckdifferenz über der Quadratwurzel-Dros selstelle bzw. Venturidüse mit einem Sensor bzw. Instrument 98 erfaßt.

Wie bereits erwähnt, ist die mit Unterschallgeschwindigkeit er folgende Massenströmung eines Gases durch eine Quadratwurzel- Drosselstelle wie bspw. eine Venturidüse eine Funktion der Quadratwurzel seiner Dichte. Die Massenströmung einer Schall- Venturidüse bei Schall-Strömung ist mit der Dichte linear ver knüpft.

Indem man die Unterschall-Öffnung 88 und die Schall-Öffnung 90 auf eine vorbestimmte Strömung durch die Öffnung 88 - gleich der Schall-Strömung durch die Öffnung 90 - bemißt, ist die Druckdifferenz über der Öffnung 88 eine direkte Funktion der Gasdichte. Diese Druckdifferenz läßt sich stetig messen und zu Meßwerten der Gasdichte umwandeln. Es wird darauf hingewiesen, daß die Orte der Drosselstellen 88 und 90 im System der Fig. 4 vertauscht werden können, d.h. die Schall-Drosselstelle 90 kann stromaufwärts von der Unterschall-Drosselstelle 88 angeordnet sein.

Die Fig. 5 zeigt eine Variante des Systems der Fig. 1, bei der die Gasdichte aus der Schnelligkeit des Gasdruckabfalls be stimmt wird.

In der Fig. 5 entspricht das System bis zur Bezugskammer 26 dem der Fig. 1. An den Ausgang der Bezugskammer 26 ist ein 4-Wege- Koppler 100 angeschlossen, der seinerseits an ein Spülventil 28, eine Quadratwurzel-Drosselstelle 32 und ein Druckrohr 102 angeschlossen ist, das mit einem Druckdifferenz-Fühler bzw. -Instrument 104 abgeschlossen ist. Im Gegensatz zum System der Fig. 1 ist die Drosselstelle bzw. Venturidüse 32 nicht zur Umluft gelüftet, sondern über einen T-Koppler 106 an eine zwei te Kammer 108 gelegt, die mit einem Ablaßventil 110 versehen ist. Das Ventil 110 kann mit einem Rechner wie dem der Fig. 1 gesteuert werden. Der dritte Arm des T-Kopplers 106 ist an den verbleibenden Anschluß des Druckdifferenzfühlers bzw. -instru ments 104 gelegt.

Die Bezugskammer 26 hat ein bekanntes bzw. geeichtes Volumen. Sie ist über eine Unterschall-Drosselstelle 32 an eine zweite Kammer 108 gelegt. Die Kammer 108 kann durch Öffnen des Ventils 110 zur Atmosphäre gelüftet werden. Die Gasdichte läßt sich dann wie folgt bestimmen:

Bspw. durch Öffnen eines handbetätigten Speiseventils wird das Objektgas an den Zulauf 10 gelegt. Die Ventile 16, 28, 30 und 110 werden geöffnet und die Kammern 26, 108 (und der Rest des Systems) so lange gespült, bis die Kammer 26 mit Sicherheit eine frische Gasprobe enthält. Die Ventile 28, 30 werden geschlossen und die Kammer 26 auf den Solldruck gebracht, wie ihn der Fühler oder das Instrument 20 erfaßt. Die Ventile 16, 110 werden ge schlossen. Die Zeitsteuerung wird angelassen und das Ventil 30 geöffnet. Die vom Fühler bzw. Instrument 104 erfaßte Druckdifferenz wird überwacht. Die Dauer des Ab falls der Druckdifferenz über den (für die Systemeichung verwendeten) geeichten Bereich hängt von der Dichte des Gases ab.

Die Vorteile dieser Ausführungsform sind:

1. Ein niedriger Eingangsdruck.
2. Eine im Gewicht leichte Anordnung.
3. Es ist kein Präzisions-Gasregler erforderlich.
4. Für eine gegebene Genauigkeit läßt die Dichte sich schneller als mit dem System der Fig. 1 ermitteln.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Dichte eines Gases unbe kannter Dichte, bei dem es sich um ein Gemisch aus Gasen unterschiedlicher Dichte handeln kann, in einer Vorrichtung mit einer Bezugskammer, einem Gasverbindungkanal zur Bezugskammer und einer Drosselstelle in diesem Gasverbindungskanal,
dadurch gekennzeichnet, daß man für eine Vielzahl von Eichgasen bekannter Dichten jeweils die Zeit mißt, die für eine vorbestimmte Änderung des Drucks in der Bezugskammer infolge der Strömung dieser Gase im Gasverbindungskanal erforderlich ist,
die Zeit mißt, die für eine identische Änderung des Drucks in der Bezugskammer für ein Gas unbekannter Dichte er forderlich ist, und
aus den für die vorbestimmte Druckänderung der Eichgase erforderlichen Zeiten - ggf. durch Interpolation - die Dichte des Gases unbekannter Dichte berechnet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Gasverbindungskanal unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß man weiterhin die Vorrichtung mit dem Gas unbekannter Dichte spült, bevor man die für eine vorbestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit mißt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strömung der Gase bekannter und unbekannter Dichte in die Bezugskammer hinein gerichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Strömung der Gase bekannter und unbekannter Dichte aus der Bezugskammer heraus gerichtet ist.

6. Verfahren zur Messung der Dichte eines Gases unbekann ter Dichte, bei dem es sich um ein Gemisch aus Gasen unter schiedlicher Dichte handeln kann, in einer Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Bezugskammer, einem Gasverbin dungskanal zwischen den Bezugskammern und einer Quadratwurzel- Drosselstelle im Gasverbindungskanal zwischen den Bezugskam mern, dadurch gekennzeichnet, daß man
für eine Vielzahl von Eichgasen bekannter Dichten je weils die für eine vorbestimmte Änderung der Druckdifferenz über der Quadratwurzel-Drosselstelle erforderlich Zeite mißt,
die Anordnung mit einem Gas unbekannter Dichte spült, die bei dem Gas unbekannter Dichte für die vorbestimmte Änderung der Druckdifferenz über der Quadratwurzel-Drosselstel le erforderliche Zeit mißt und
aus den für die vorbestimmte Änderung der Druckdiffe renz der Eichgase erforderlichen Zeiten - ggf. durch Inter polation - die Dichte des Gases unbekannter Dichte berechnet.

7. Anordnung zur Bestimmung der Dichte eines Gases unbe kannter Dichte, gekennzeichnet durch
eine Bezugskammer,
einen Gasverbindungskanal zur Bezugskammer,
wobei der Gasverbindungskanal zur Bezugskammer eine Quadratwurzel-Drosselstelle enthält,
Mittel, um eine Gasströmung mit Unterschallgeschwin digkeit durch die Quadratwurzel-Drosselstelle zu erzeugen, und
eine Zeitsteuerung, die die für eine vorbestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit mißt,
wobei die Anordnung mit Eichgasen bekannter Dichte ge eicht worden ist, um die für eine bestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit in Beziehung zu der Dichte des die Druckänderung verursachenden Gases zu setzen, und
wobei die Dichte eines Objektgases unbekannter Dichte sich ermitteln läßt, indem man die für eine vom Objektgas in der Bezugskammer erzeugte Druckänderung erforderliche Zeit mit derjenigen Zeit vergleicht die die Eichgase jeweils für eine gleiche Druckänderung in der Bezugskammer benötigen.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bezugskammer anfänglich das Objektgas mit einem überatmosphärischen Druck enthält und die Mittel zur Erzeugung einer Gasströmung eine Strömung dieses Objektgases aus der Bezugskammer heraus und ein Abfallen des Drucks in ihr bewirken.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen einer Gasströmung eine Strömung des Gases in die Bezugskammer hinein und einen Anstieg des Innendrucks in ihr bewirken.

10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen einer Gasströmung eine Kolbeneinrichtung aufweisen, die das Gas durch die Quadratwurzel-Drosselstelle drückt.

11. Vorrichtung zum Bestimmen der Dichte eines Gases unbe kannter Dichte, dadurch gekennzeich net, daß
eine Bezugskammer,
ein Gasverbindungskanal zur Bezugskammer, wobei der Gasverbindungskanal zur Bezugskammer eine Quadratwurzel-Drosselstelle enthält, sowie
Mittel, um eine Gasströmung mit Unterschallgeschwin digkeit durch die Quadratwurzel-Drosselstelle zu erzeugen, und
eine Zeitsteuerung, vorgesehen sind, die die für eine vorbestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit mißt,
die Anordnung mit Eichgasen bekannter Dichte geeicht worden ist, um die für eine bestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit in Beziehung zu der Dichte des die Druckänderung verursachenden Gases zu setzen,
die Unterschall-Quadratwurzel-Drosselstelle eine Zu lauf- und eine Austrittsöffnung aufweist und die Austtitts öffnung an eine Schall-Drosselstelle gelegt ist und
die Dichte eines Objektgases unbekannter Dichte sich bestimmen läßt, indem man die für eine vom Objektgas in dar Bezugskammer erzeugte Druckänderung erforderliche Zeit mit derjenigen Zeit vergleicht, die die Eichgase jeweils für eine gleiche Druckänderung in der Bezugskammer benötigen.

12. Vorrichtung zum Bestimmen der Dichte eines Gases unbe kannter Dichte, dadurch gekennzeich net, daß
eine Bezugskammer,
ein Gasverbindungskanal zur Bezugskammer, wobei der Gasverbindungskanal zur Bezugskammer eine Quadratwurzel-Drosselstelle enthält, sowie
Mittel, um eine Gasströmung mit Unterschallgeschwin digkeit durch die Quadratwurzel-Drosselstelle zu erzeugen, und
eine Zeitsteuerung vorgesehen sind, die die für eine vorbestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit mißt,
die Anordnung mit Eichgasen bekannter Dichte geeicht worden ist, um die für eine bestimmte Druckänderung in der Bezugskammer erforderliche Zeit in Beziehung zu der Dichte des die Druckänderung verursachenden Gases zu setzen,
die Mittel zum Erzeugen einer Gasströmung eine Kol beneinrichtung aufweisen, die das Gas durch die Quadrat wurzel-Drosselstelle drückt,
die Kolbeneinrichtung sich mit konstanter Geschwin digkeit bewegt, und
die Dichte eines Objektgases unbekannter Dichte sich bestimmen läßt, indem man die für eine vom Objektgas in der Bezugskammer erzeugte Druckänderung erforderliche Zeit mit derjenigen Zeit vergleicht, die die Eichgase jeweils für eine gleiche Druckänderung in der Bezugskammer benötigen.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Unterschall-Quadratwurzel- Drosselstelle und die Schall-Drosselstelle so bemessen sind, daß die Massenströmung durch die eine gleich der durch die andere ist.