DE4017490A1 - Verfahren und vorrichtung zur praezisionsmessung einer gasmenge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Präzisionsmessung einer strömenden Gasmenge nach dem bzw. mit der Volumenmeßgeräte und Volumendurch­ flußmeßgeräte für Gase kalibriert werden können.

Gasmengen werden unter anderem in zylindrischen Meßrohren gemessen, in denen strömende Medien einen Meßkolben beauf­ schlagen, dessen Verschiebung im Meßrohr in einem Zeit­ abschnitt ein Maß für die Durchflußmenge liefert. Für eine Präzisionsmessung von Gasen sind die üblichen Einrichtungen ungeeignet, weil sie einerseits nicht zuverlässig arbeiten und andererseits keine Meßdaten mit ausreichender Ge­ nauigkeit liefern. Probleme schaffen immer noch die mit nur einem Dichtungsring abgedichteten Kolbenkörper, da diese bei ihrer Verschiebung häufig an den Meßrohrwandungen verkanten und bei einer Weg-Zeit-Messung des Kolbens verfälschte Meßdaten liefern.

Die Meßrohrkörper bestehen zum Zwecke einer optischen Messung meistens aus Glas, die Kolben aus Gründen eines geringen Gewichtes aus einem leichten Kunststoff. Bei der Verschiebung des Kolbens im Meßrohr kommt es infolge der Reibung zwischen den Teilen auch bei Anwendung anti­ statischer Beläge in vielen Fällen noch zur elektrischen Aufladung und schließlich zur Entladung im Inneren des Meßrohres. Dies wirkt sich nicht nur störend auf den Meßablauf aus, sondern kann auch zur Zerstörung der Einrichtung führen.

Vor Beginn der eigentlichen Messung ist der Druck im Meßrohr gleich dem atmosphärischen Druck, da das Meßrohr insgesamt vor der Messung eines neuen Gases belüftet wird. Bei der Inbetriebnahme des Meßrohres, also beim Einströmen des Meßgases in das Meßrohr, verändert sich aber der Druckzustand unterhalb wie oberhalb des Kolbens im Meßrohr. Die Phase einer stetigen Druckveränderung bringt jedoch auch eine Temperaturänderung des eingeströmten Meßgases mit sich und damit auch eine Änderung des in das Meßrohr eingeströmten Gasvolumens.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem sich und mit der sich eine strömende Gasmenge bei konstanten Temperatur- und Druckwerten zuverlässig und genau messen läßt.

Diese Aufgabe wird mit dem in den Ansprüchen angegebenen Verfahren und der angegebenen Vorrichtung gelöst.

Gemäß dem angegebenen Verfahren wird nämlich vor dem eigentlichen Meßvorgang zunächst eine Art Eichung der Meßeinrichtung vorgenommen, um den Gleichgewichtsdruck für diese Meßeinrichtung - bezogen auf eine bestimmte Durch­ flußmenge - zu ermitteln. Seine Größe entspricht dem Druck, der erforderlich ist, um den Kolben für eine vom Prüfling abhängige Durchflußmenge mit einer konstanten Geschwin­ digkeit zu bewegen, und die Kolbengeschwindigkeit während des gesamten Meßvorgangs aufrecht zu erhalten.

Dafür sind folgende Gegenkräfte auszugleichen, die sich ergeben aus

• - dem Gewicht und der Gleitreibung des Kolbens bei seiner Aufwärtsbewegung
• - dem auf der Kolbenoberseite herrschenden atmosphärischen Druck
• - und schließlich dem Staudruck, der sich bei der Aufwärts­ bewegung des Kolbens im oberen Bereich des Meßrohres aufbaut.

Erst dann, wenn die Größe dieses erforderlichen Druckes ermittelt und durch Messung festgehalten ist, erfolgt die eigentliche Gasmengenmessung, wobei der so ermittelte Gleichgewichtsdruck nicht nur vor dem Eingang des Meßrohres, sondern auch oberhalb des Kolbens im Meßrohr selbst aufgebaut wird. Unter diesen Druckverhältnissen wird schließlich das zu messende Gas in das Meßrohr geleitet, dessen spezifisches Volumen beim Füllen des Meßrohres infolge des unveränderten Druckes konstant bleibt. Die in das Meßrohr einfließende Gasmenge wird aus dem Weg-Zeit- Verhältnis der Kolbenbewegung ermittelt.

Die Vorrichtung nach Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild der Meßvorrichtung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teiles des Meß­ rohres,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Meßrohr.

In den Figuren ist das aus Glas oder einem anderen transparenten Material bestehende zylindrische Meßrohr mit der Bezugszahl 1 bezeichnet, in dem sich ein verschieb­ licher Kolben 2 befindet (Ruhestellung). Der Innendurch­ messer des zylindrischen Meßrohres 1 ist kalibriert und der Kolben 2 für eine geringe Reibung durch zwei Quecksil­ berringe 3 abgedichtet. Durch die Anordnung von zwei Quecksilberringen 3 wird einem Verkanten des Kolbens 2 bei seiner Verschiebung im Meßrohr 1 vorgebeugt.

Sowohl die innere als auch die äußere Mantelfläche des Meßrohres trägt jeweils zwei sich auf den beiden Seiten gegenüberliegende, achsparallele, aufgedampfte Metallstrei­ fen 4, die geerdet sind, um eine elektrostatische Aufladung durch Reibung von Kolben 2 am Meßrohr 1 zu verhindern.

Der im Meßrohr 1 zurückgelegte Weg des Kolbens 2 wird beim Einströmen des Meßgases von mindestens zwei in einem genau vermessenen Abstand voneinander angeordneten optischen Sensoren 5 und 5a zeitlich erfaßt und das Ergebnis einer Meßauswertungseinrichtung 6 zugeführt, in der die einge­ strömte Gasmenge aus Meßrohrdurchmesser, Sensorabstand und Meßzeit ermittelt wird.

Schaltungsmäßig liegt das Meßrohr 1 in Reihe mit dem Prüfling, wie z. B. ein Volumenmeßgerät, das nicht einge­ zeichnet ist. Der Eingang des Meßrohres 1 ist über eine Druckausgleichsleitung 7 mit einem Druckausgleichsventil 8 mit seinem Ausgang verbunden. Nach den Anschlußstellen der Druckausgleichsleitung 7 liegen in der Eingangsleitung 9 ein Eingangsventil 10 und in der Ausgangsleitung 11 ein Ausgangsventil 12. Parallel zur Eingangsleitung 9 und Ausgangsleitung 11 liegt die Hauptleitung 13 mit einem Einlaßventil 14 in Reihe mit einem Drosselventil 15. Am Meßrohreingang ist schließlich ein Druckmesser 16 angeschlossen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet wie folgt: Die Ventile 12, 14 und 15 sind geöffnet, die Ventile 8 und 10 geschlossen. Der Prüfling (nicht eingezeichnet) wird in Betrieb genommen und sein Druchfluß auf den gewünschten Sollwert eingestellt. Im Meßrohr 1 oberhalb des Kolbens 2 herrscht atmosphärischer Druck. Daraufhin wird Ventil 12 geschlossen und Ventil 10 geöffnet. Damit herrscht in der Eingangsleitung 9 - also unterhalb des Kolbens 2 - derselbe Druck wie in der Eingangsleitung 13.

Durch langsames Schließen des Drosselventils 15 wird der Druck am Meßrohreingang eingestellt, der dem Gleichge­ wichtszustand für den Durchfluß im Meßrohr entspricht. Dieser Gleichgewichtsdruck ist durch Messung mittels des Druckmessers 16 bei einem vorhergehenden Meßvorgang - wie oben erläutert - ermittelt worden. In diesem Zustand stabi­ lisieren sich die einzelnen Elemente der Meßvorrichtung nach einigen Sekunden, und die Meßvorrichtung ist dann betriebsbereit.

Durch Schließen des Ventils 14 in der Hauptleitung 13 und gleichzeitiges Öffnen des Ventils 12 in der Ausgangsleitung 11 kann das Meßgas in das Meßrohr 1 einströmen. Der Meßvor­ gang beginnt beim Passieren des Kolbens 2 am Sensor 5 und ist beendet, sobald der Kolben 2 den Sensor 5a passiert hat.

Nach dem Ende des Meßvorganges werden die Ventile 10 und 12 geschlossen und gleichzeitig Ventil 14 geöffnet. Um den Kolben 2 wieder in seine Ausgangslage zu bringen, wird Ventil 8 geöffnet. Der Kolben 2 sinkt daraufhin aufgrund seines Gewichts in seine Ausgangslage zurück.

Abschließend wird Ventil 12 geöffnet; im Meßrohr 1 herrscht dann wieder atmosphärischer Druck.

Claims (2)

1. Verfahren zur Präzisionsmessung einer strömenden Gasmen­ ge mittels eines durch einen Kolben beaufschlagten und in einer Schaltungsvorrichtung liegenden, senkrecht auf­ gestellten Meßrohres, bei dem man

• 1. den Gleichgewichtsdruck des Meßgases am Meßrohrein­ gang ermittelt und durch Messung festhält. Der Gleichgewichtsdruck ist erforderlich, um den Kolben im Meßrohr
  • a) gegen sein Gewicht
  • b) gegen seine Gleitreibung im Meßrohr
  • c) gegen seinen auf der Kolbenoberseite herrschenden atmosphärischen Druck und
  • 3) gegen den auf der Kolbenoberseite sich aufgebauten Staudruck
• mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen.
• 2. zum gewünschten Meßzeitpunkt am Eingang des Meßrohres und auf der Oberseite des Kolbens im Meßrohr den ermittelten Gleichgewichtsdruck aufrechterhält,
• 3. das Meßgas mit dem ermittelten Gleichgewichtsdruck in das Meßrohr leitet und
• 4. während der konstanten Bewegung des Kolbens die Volu­ menzunahme im Meßrohr pro Zeiteinheit mißt.

2. Vorrichtung zur Präzisionsmessung einer strömenden Gas­ menge in einem zylindrischen, senkrecht stehenden und aus einem transparenten Material bestehenden Meßrohr mit kalibriertem Innendurchmesser, in dem das einströmende Gas einen quecksilbergedichteten Kolben verschiebt, dessen zeitlich zurückgelegter Weg von in einem genau vermessenen Abstand zueinander und außen angeordneten Sensoren erfaßt und das Ergebnis einer Meßeinrichtung zugeführt wird, bei der

• 1. Eingang und Ausgang des Meßrohres über eine Druckaus­ gleichsleitung mit einem Druckausgleichsventil ver­ bunden sind,
• 2. nach den Anschlußstellen für die Druckausgleichslei­ tung in der Eingangsleitung ein Eingangsventil und in der Ausgangsleitung des Meßrohres ein Ausgangsventil liegt,
• 3. parallel zur Eingangs- und Ausgangsleitung mit den Eingangs- und Ausgangsventilen die Hauptleitung liegt, in der ein Drosselventil in Reihe mit einem Einlaßventil liegt,
• 4. der Meßrohrkörper sowohl auf seiner Innenwand als auch auf seiner Außenwand mit zwei sich jeweils gegenüberliegenden, achsparallelen, aufgedampften Me­ tallstreifen versehen ist, die geerdet sind,
• 5. der Kolben im Meßrohr über zwei in parallelen Ebenen angeordneten Quecksilberringen geführt und gegen die Innenwand des Meßrohres abgedichtet ist, und
• 6. am Meßrohreingang ein Druckmesser angeschlossen ist.