DE4017490C2 - - 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.

Nach dem Stand sind Vorrichtungen zum Messen von Durchflußmengen mittels eines durch einen Kolben beaufschlagten und in einer Schaltungsvorrichtung liegenden Meßrohres bekannt. So sind in US 43 28 697 und in der EP 00 33 905 A2 Vorrichtungen beschrieben, die der Messung von Flüssigkeitsmengen dienen. Wegen der Inkompressibilität von Flüssigkeiten spielt die Erzielung eines konstanten Druckes während des Meßvorgangs dort jedoch keine Rolle.

Nach der Erfindung sollen dagegen Gasmengen gemessen werden, die konstante Druckverhältnisse während der Messung zur Erhöhung der Genauigkeit voraussetzen. Wird eine einfache Vorrichtung, wie sie dem Stand der Technik entspricht, ohne Zuhilfenahme von Maßnahmen zur Stabilisierung des Druckes zur Messung von Gasmengen verwendet, so führen Schwankungen des Druckes während des Meßvorganges auch zu Schwankungen der Temperatur des Meßgases. Temperatur- und Druckänderungen haben bei Gasen aber neben den Volumenänderungen über die Zeit ebenfalls Einfluß auf die Gasmenge pro Zeiteinheit. Insbesondere Temperaturschwankungen lassen sich jedoch in der Praxis nicht mit hinreichender Schnelligkeit und Präzision erfassen, um eine zuverlässige rechnerische Korrektur der wirklichen Gasmenge zu gestatten. Diese Problematik, die vorwiegend bei Präzisionsmessungen mit hohen Ansprüchen an die Meßgenauigkeit von Bedeutung ist, wird bei der vorliegenden Erfindung durch Konstanthalten des Druckes - und dadurch bedingt durch Konstanthalten der Temperatur - beseitigt.

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 nicht die sich ändernden Temperatur- und Druckverhältnisse im Meßrohr unterhalb des Kolbens unmittelbar nach Einsetzen der Kolbenbewegung berücksichtigen und deshalb keine Meßdaten mit ausreichender Genauigkeit liefern. Probleme schaffen außerdem 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.

Zum Erhalt dieses Gleichgewichtsdruckes sind folgende Gegenkräfte auszugleichen, die sich ergeben aus

• - dem Gewicht und der Gleitreibung des Kolbens bei seiner Aufwärtsbewegung
• - dem auf der Kolbenoberseite herrschenden Druck, der sich zusammensetzt aus dem atmosphärischen Druck und dem durch die Abflußleitungen verursachten Staudruck.

Erst dann, wenn die Größe dieses erforderlichen Druckes ermittelt und durch Messung festgehalten ist, erfolgt die eigentliche Gasmengenmessung, wobei der so ermittelte Gleichgewichtsdruck bereits zu Beginn der Messung 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. Das in das Meßrohr einfließende Gasvolumen pro Zeiteinheit wird aus dem Weg- Zeit-Verhältnis der Kolbenbewegung ermittelt. Aus diesem Volumen pro Zeiteinheit, aus der Gastemperatur und dem Druck im Meßrohr ermittelt die Meßauswertungseinrichtung die Gasmenge pro Zeiteinheit. Die Gastemperatur wird wie der Gasdruck am Meßrohr gemessen.

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, Meßzeit, Gastemperatur und Druck im Meßrohr 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:

Vor der eigentlichen Präzisions-Messung der Durchflußmenge wird der Gleichgewichtsdruck für den betreffenden Durchfluß ermittelt. Dazu werden die Ventile 8, 10 und 12 geöffnet, Ventil 14 bleibt geschlossen. Der Prüfling (nicht eingezeichnet) wird in Betrieb genommen und sein Durchfluß auf den gewünschten Sollwert eingestellt. Der Kolben 2 wird durch sein Gewicht am unteren Ende des Meßrohres gehalten.

Nach Schließen des Ventils 8 strömt das Meßgas nicht mehr durch die Leitung 7 am Meßrohr vorbei, sondern durch die Leitung 9 in das Meßrohr. Unterhalb des Kolbens 2 wird ein Druck aufgebaut. Sobald dieser Druck die Gegenkräfte (Kolbengewicht, Reibung des Kolbens) übersteigt, beginnt der Kolben, sich nach oben zu bewegen. Dabei wird das Volumen oberhalb des Kolbens komprimiert, gleichzeitig entweicht aber Gas durch die Leitung 11 und das offene Ventil 12 zur Atmosphäre. Im Laufe der Zeit stellt sich ein Gleichgewicht ein: Der Druck oberhalb des Kolbens ist genau so weit angestiegen, daß durch Leitung 11 und Ventil 12 genau soviel Gas entweicht, wie durch den sich nach oben bewegenden Kolben nachgeschoben wird. Gleichzeitig ist auch der Druck im Meßrohr unterhalb des Kolbens auf seinen Gleichgewichtsdruck angestiegen: Dieser Druck ist um den durch Kolbengewicht und Gleitreibung verursachten Druck höher als der Druck oberhalb des Kolbens. Da in diesem Zustand keine Kräfte mehr zur Kompression des Gases oberhalb des Kolbens oder zur Beschleunigung des Kolbens selbst aufgewendet werden müssen, ist dies auch der Zustand einer Kolbenbewegung mit gleichförmiger Geschwindigkeit. Der Druck unterhalb der Kolbens wird während der Kolbenbewegung gemessen. Sobald der Druck nicht mehr ansteigt - dies ist bei kleinen Durchflüssen bereits kurz nach Beginn der Kolbenbewegung, bei größeren Durchflüssen erst gegen Ende der Kolbenbewegung der Fall - wird der Meßwert festgehalten. Dieser Druck ist der "Gleichgewichtsdruck", von dem bei der eigentlichen Messung die Rede sein wird.

Jetzt werden die Ventile 14 und 15 geöffnet, Ventil 10 wird geschlossen. Der Durchfluß des Prüflings entweicht damit über die Leitung 13 und die Ventile 14 und 15 zur Atmosphäre. Sogleich wird Ventil 18 geöffnet, der Kolben sinkt durch sein Gewicht nach unten, wobei das unterhalb des Kolbens verdrängte Gas durch die Leitung 7 und das Ventil 8 in das Meßrohr oberhalb des Kolbens überströmt. Sobald der Kolben die unterste Position erreicht hat, wird Ventil 8 wieder geschlossen. Wegen des geöffneten Zustands von Ventil 12 herrscht oberhalb des Kolbens atmosphärischer Druck.

Nun kann mit dem eigentlichen Präzisions-Meßvorgang begonnen werden, indem Ventil 12 geschlossen und Ventil 10 geöffnet wird. 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 Gleichgewichtszustand 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. Bereits nach kurzer Wegstrecke bewegt sich der Kolben mit konstanter Geschwindigkeit, weil die dazu erforderlichen Druckverhältnisse bereits vorher eingestellt wurden. Der Meßvorgang beginnt beim Passieren des Kolbens 2 am Sensor 5 und ist beendet, sobald der Kolben 2 den Sensor 5a passiert hat.

Aus der Meßzeit - das Volumen ist aus dem kalibrierten Meßrohrdurchmesser und dem Sensorabstand bekannt - wird in der Meßauswerteeinrichtung der Volumendurchfluß ermittelt. Daraus und aus den Werten für Gastemperatur und Gasdruck ergibt sich die Gasmenge pro Zeiteinheit.

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

• a. vor dem eigentlichen Meßvorgang den Gleichgewichtsdruck des Meßgases zur Eichung der Meßeinrichtung am Meßrohrein­ gang ermittelt und durch Messung festhält, der erforderlich ist, um den Kolben im Meßrohr
  • - gegen sein Gewicht
  • - gegen seine Gleitreibung im Meßrohr
  • - gegen seinen auf der Kolbenoberseite herrschenden Druck, der sich zusammensetzt aus dem atmosphärischen Druck und dem Staudruck an den Abflußleitungen,
• mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen.
• b) zu Beginn der eigentlichen Messung am Eingang des Meßrohres den unter a) ermittelten Gleichgewichtsdruck einstellt,
• c) das Meßgas mit dem ermittelten Gleichgewichtsdruck in das Meßrohr leitet,
• d) während der konstanten Bewegung des Kolbens die Volumenzunahme im Meßrohr pro Zeiteinheit mißt und
• e) in der Meßauswertungseinrichtung aus Volumenzunahme pro Zeiteinheit, Gastemperatur und Druck im Meßrohr die Gasmenge pro Zeiteinheit berechnet.

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

• a) Eingang und Ausgang des Meßrohres über eine Druckaus­ gleichsleitung mit einem Druckausgleichsventil ver­ bunden sind,
• b) nach den Anschlußstellen für die Druckausgleichslei­ tung in der Eingangsleitung ein Eingangsventil und in der Ausgangsleitung des Meßrohres ein Ausgangsventil liegt,
• c) parallel zur Eingangs- und Ausgangsleitung mit den Eingangs- und Ausgangsventilen die Hauptleitung liegt, in der ein Drosselventil in Reihe mit einem Einlaßventil liegt,
• d) 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,
• e) der Kolben im Meßrohr über zwei in parallelen Ebenen angeordneten Quecksilberringen geführt und gegen die Innenwand des Meßrohres abgedichtet ist, und
• f) am Meßrohreingang ein Druckmesser angeschlossen ist.