DE4118781A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbrennungslosen bestimmung der wobbezahl und/oder des brennwertes eines gases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbrennungslo­ sen Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes ei­ nes strömenden Gases, wobei der Volumenstrom gemessen und weitere charakteristische Kenngrößen des Gases, wie Druckabfall, Dichte, Viskosität oder dergleichen, gemessen und/oder konstant gehalten werden sowie eine Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes eines Gases mit einem Druckregler, einem Laminarwiderstand zur isothermen Expansion des Gases und einem Volumenstrommesser.

Aus der EP-A-00 22 493 ist ein derartiges Verfahren be­ kannt, bei dem Gas über einen Laminarwiderstand entspannt wird. Aus dem Druckabfall über den Widerstand und dem Volumenstrom läßt sich die Gasviskosität bestimmen. Aus dieser soll mit Hilfe einer Näherungsfunktion direkt die Wobbezahl des gemessenen Gases bestimmbar sein. In einer Variante ist zudem vorgesehen, daß aus dem Druckabfall über einen Turbulenzwiderstand die Gasdichte bestimmt werden soll, so daß mit deren Hilfe der Brennwert des Gases aus der Wobbezahl bestimmt werden kann.

Die Wobbezahl und der Brennwert stellen wesentliche Pa­ rameter für die Wärmebelastung eines Gasbrenners dar. So ist beispielsweise zur Kontrolle der Gasqualität ei­ ne Messung dieser Parameter wichtig.

Neben der bekannten verbrennungslosen Messung war es bis­ her üblich, einen Teilstrom des Gases zu verbrennen und die dabei entstehende Wärme zu messen. Dabei wird jedoch als nachteilig empfunden, daß die Messung aufwendig ist und lange Ansprechzeiten hat.

Bei allen bekannten Methoden hat sich in der Praxis ge­ zeigt, daß die gewünschte Meßgenauigkeit und Reproduzier­ barkeit nicht erreichbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine ein­ fache, sehr genaue und verbrennungslose Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes gestattet.

Die Aufgabe wird für ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, daß ein Massenstrom thermisch gemessen wird, und daß aus dem Volumen- und dem Massenstrom so­ wie mindestens einer weiteren der genannten Kenngrößen mit Hilfe von Näherungsfunktionen die Wobbezahl und/oder der Brennwert bestimmt und angezeigt oder weiterverar­ beitet werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeich­ net sich dadurch aus, daß ein thermischer Massenstrom­ messer und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Wob­ bezahl und/oder des Brennwerts mit Hilfe von Näherungs­ funktionen aus dem Druckabfall, dem Volumen- und dem Massenstrom vorgesehen sind.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß das Gas isotherm über ei­ nen Strömungswiderstand mit laminarer Strömung entspannt wird, und daß zur Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwerts der Druckabfall über den Widerstand gemessen und/oder konstant gehalten wird.

Der Erfindung liegt die wesentliche Idee zugrunde, daß der thermisch gemessene Massenstrom, welcher ein Maß für die durch die Meßeinrichtung bewegte Gasmasse und de­ ren Wärmekapazität ist, eng mit der Enthalpie des Gases gekoppelt ist. Hierdurch ergibt sich ein wesentlicher Hinweis auf die chemische Energie, die beim Verbrennen freigesetzt wird. Da der Massenstrom vom Volumenstrom abhängt, ist auch dieser zu berücksichtigen. In Kombination mit einer weiteren charakteristischen Kenngröße sind dann die Wobbezahl und der Brennwert sehr genau bestimmbar. Ein weiterer wesentlicher Parameter des Gases ist die Dichte, da diese ein Maß für das Molekülgewicht des Gases darstellt. Bei einer isothermen Expansion läßt sich die Gasdichte näherungsweise aus dem Druckabfall über den Laminarwiderstand und aus dem Volumenstrom bestimmen. Ge­ mäß diesen Überlegungen ist daher die Wobbezahl bzw. der Brennwert eines Gases aus den Meßwerten für den Massen-, den Volumenstrom und den Druckabfall bestimmbar. Erfin­ dungsgemäß wird diese Bestimmung mit Hilfe von Näherungs­ funktionen ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet eine einfache Mes­ sung mit kurzer Ansprechzeit, da die einzelnen Meßwerte ohne Verzögerung gemessen werden können. Die indirekte Berücksichtigung der zwei Parameter Dichte und Wärmeka­ pazität gestattet die präzise und reproduzierbare Bestim­ mung der Wobbezahl bzw. des Brennwertes und gewährlei­ stet eine hohe Meßgenauigkeit.

Es ist vorgesehen, daß das Gas zur Messung des Massen­ stromes einen Hitzdraht mit konstanter Übertemperatur kühlt und die Heizspannung als Maß für den Massenstrom verwendet wird. Dies gestattet eine einfache Messung der für die Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes wesentlichen Größe.

Es ist vorgesehen, daß zur Kalibrierung ein Eichgas ver­ wendet wird. Aufgrund der kurzen Meßzeit kann eine Ei­ chung sehr schnell vorgenommen werden. Darüber hinaus werden Eichgase zur Festlegung der Näherungsfunktionen benutzt.

Wenn das Gas in einem Nebenstrom gemessen wird, ergibt sich der Vorteil, daß regelmäßig Kalibriermessungen aus­ geführt werden können, ohne daß ein kontinuierlich be­ triebenes Gasverbrauchsgerät von der Versorgung abge­ schnitten oder mit verschiedenen Gasen beaufschlagt wird. Dadurch wird eine ausgezeichnete Langzeitstabili­ tät der Kennwerte erreicht.

Indem das Gas gegen die Atmosphäre entspannt wird, läßt sich die Betriebsdichte des Gases bestimmen. Die Expan­ sion des Gases erfolgt isotherm, also bei einer festge­ legten Temperatur. So läßt sich bei bekanntem Atmosphä­ rendruck dann auch die Normdichte und der Normwobbein­ dex bestimmen.

Es ist bevorzugt vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Wärmemengenzufuhr, der Flam­ mentemperatur und/oder des Sauerstoffgehaltes im Abgas bei einem Gasbrenner verwendet wird. Hierbei wird die Wobbezahl als Steuerparameter für den Gasdruck am Gas­ brenner verwendet, so daß eine Steuerung des zugeführten Volumenstromes erfolgt. Als vorteilhaft ist dabei anzu­ sehen, daß die kurze Ansprechzeit in Verbindung mit der hohen Meßgenauigkeit eine schnelle Steuerung mit kleinen Fehlern gestattet.

In einer weiteren Variante ist vorgesehen, daß die er­ findungsgemäß bestimmte Wobbezahl als Regelgröße bei der kontinuierlichen Mischung zweier Gassorten verwendet wird, um die Gassorten quantitativ so zu mischen, daß die Wobbe­ zahl des Mischgases konstant bleibt. Hierbei ermöglicht die kurze Ansprechzeit in Verbindung mit der hohen Meß­ genauigkeit eine sehr schwankungsarme Regelung.

Umgekehrt kann auch kontinuierlich eine quantitative Ana­ lyse einer Mischung zweier bekannter Gasarten ausgeführt werden, indem aus dem erfindungsgemäß bestimmten Brenn­ wert des Mischgases das Mischungsverhältnis bestimmt wird.

Bevorzugt ist der Laminarwiderstand als ein Kapillar­ rohr ausgebildet. Das Kapillarrohr ist dabei bevorzugt spulenförmig gebogen, so daß eine große Länge auf klei­ nem Raum untergebracht werden kann. Die große Länge stellt dabei sicher, daß sich eine laminare Strömung aus­ bildet, gestattet einen guten Wärmekontakt zur Umgebung und gewährleistet eine möglichst langsame Expansion des Gases, so daß lokale Temperaturschwankungen vermieden werden.

Es ist vorgesehen, daß der Druckregler, der Laminarwi­ derstand und die Durchflußmesser in einem temperierten Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch werden eine isotherme Expansion des Gases unabhängig von seiner Temperatur und von den Außenbedingungen unabhängigen Meßwerte gewährlei­ stet. Zur Temperierung des Gehäuses sind ein Lüfter, eine Heizung, eine Regeleinheit und ein Temperaturfühler vor­ gesehen. Die Regeleinheit, welche in die Auswerteeinheit integriert sein kann, regelt mit Hilfe des Temperaturfüh­ lers die Heizleistung der Heizung und gegebenenfalls den Lüfter, so daß die Temperatur im Gehäuse konstant bleibt.

Zur Überwachung und Messung des durch den Druckregler festgelegten Druckabfalls über den Laminarwiderstand und die Durchflußmesser ist ein Meßgerät zur Messung dieses Druckabfalls vorgesehen.

Es ist ein Sensor zur Messung der Gastemperatur vorgese­ hen, die bei bekanntem Atmosphärendruck eine Umrechnung auf Normwerte ermöglicht.

Um eine vollautomatische Kalibrierung zu ermöglichen, sind von der Auswerteeinheit steuerbare Ventile vorge­ sehen, so daß der Meßvorrichtung wahlweise Meß- oder Eichgas zugeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeich­ nung zeigt: eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels.

Zu messendes Gas (Pfeil 1) wird einer Meßvorrichtung 2 über einen Druckminderer 3 zugeführt. Die Meßvorrich­ tung 2 weist ein Gehäuse 4 auf. Im Gehäuse 4 sind eine Heizung 6, die über eine Auswerteeinheit 7 mit Hilfe ei­ nes Temperaturfühlers 18 geregelt wird, und ein Lüfter 8 angeordnet.

Das Gas wird im Gehäuse 4 durch einen Druckregler 5 über einen Strömungswiderstand 9 geleitet, der als Kapillarrohr ausgebildet ist, in dem das Gas unter konstanter Temperatur entspannt. Nachfolgend wird das Gas durch einen thermischen Massenstrommesser 10 und einen Volumenstrommesser 11 über einen Ausgang 21 in die Atmosphäre geleitet. Ein Druckdif­ ferenzmesser 12 mißt den Druckabfall über den Strömungs­ widerstand 9 und die Durchflußmeßgeräte 10 und 11. Alle Meßgeräte 10, 11 und 12 sind zur Übergabe ihrer Meßwer­ te mit der Auswerteeinheit 7 verbunden.

Die Auswerteeinheit 7 steuert Ventile 13 und 14, so daß entweder Meßgas oder das Eichgas - aus einem Reservoir 15 - dem Druckminderer 3 und der Meßeinrichtung 2 zuge­ führt wird. Zwischen dem Druckminderer 3 und dem Druck­ regler 5 sind noch ein Trockner 16 und ein Filter 17 an­ geordnet.

Das Gas wird nach Druckreduzierung im Druckminderer 3 über den Druckregler 5 auf einen festgelegten Druck, hier z. B. 50 mbar, geregelt und anschließend über den Strö­ mungswiderstand 9 entspannt. Da der Druck sehr gering ist, resultiert nur ein kleiner Volumenstrom. Aus diesem Grund gleicht sich die Gastemperatur rasch an die Temperatur im Inneren des Gehäuses 4 an, und das Gas wird mit konstan­ ter Temperatur entspannt.

Nach der Entspannung des Gases über den Strömungswider­ stand 9 erfolgt die thermische Messung des Massenstroms im Massenstrommesser 10. Hier wird der Gasstrom an einem elektrisch beheizten Hitzdraht vorbeigeführt. Dabei sind verschiedene Regelungen möglich, so kann der Heizstrom, die Heizenergie oder die Temperatur des Heizdrahtes kon­ stant gehalten werden. In bevorzugter Ausführung wird die Übertemperatur des Heizdrahtes zur Umgebung konstant gehalten, wobei die Heizspannung ein Maß für die vom Gas­ aufgenommene Energie und damit ein Maß für das Produkt aus Wärmekapazität und Massenstrom des Gases ist. Die Heiz­ spannung des Massenstrommessers 10 wird in der Auswerte­ einheit 7 verarbeitet.

Der folgende Volumenstrommesser 11 kann nach einem belie­ bigen bekannten Prinzip arbeiten. Bevorzugt wird ein Mik­ rosensor verwendet, der auf einem Chip untergebracht ist und einen vernachlässigbar kleinen Strömungswiderstand darstellt. Der Sensor liefert eine dem Volumenstrom pro­ portionale Spannung, die in der Auswerteeinheit 7 verar­ beitet wird.

Zur Kontrolle und genauen Erfassung des Druckabfalls in der Meßeinrichtung 2 über dem Strömungswiderstand 9 und den Durchflußmeßgeräten 10 und 11 ist der Druckdifferenz­ messer 12 vorgesehen. Dieser mißt den auftretenden Druck­ abfall und übermittelt den Meßwert an die Auswerteein­ heit 7. Anstatt des Differenzdruckmessers 12 können auch getrennte Druckmessungen vorgenommen und die Differenz in der Auswerteeinheit 7 gebildet werden. Dies ergibt den Vorteil, daß die Druckmessung nach dem Volumenstrom­ messer 11 auch gleich den Absolutdruck der Atmosphäre an­ gibt, falls bis zum Ausgang 21 kein wesentlicher Druckab­ fall vorhanden ist.

Bei bekanntem Absolutdruck und bekannter Gastemperatur kann die Gasdichte und auch der Wobbeindex auf Normbe­ dingungen umgerechnet werden.

Die Auswerteeinheit 7 kann durch einen Computer oder ei­ ne einfache Rechenlogik gebildet sein. Die Auswerteein­ heit 7 bildet aus den Meßwerten für den Druckabfall, den Volumenstrom und den Massenstrom mit Hilfe einer Nähe­ rungsfunktion die Wobbezahl des Meßgases und/oder dessen Brennwert. Dabei wird die Wobbezahl W und der Heizwert H aus dem Druckabfall dP, der Spannung U_m des Massenstrom­ messers 10 und der Spannung U_V des Volumenstrommessers 11 nach folgenden, experimentell bestimmten Formeln berech­ net:

Die Parameter a_i, b_i, c_i, n_i sind durch Eichungen zu bestimmen. Wenn der Wert von dP nicht gemessen wird, kann er auch in die Auswerteeinheit 7 eingegeben oder eingespeichert werden.

Das Ergebnis wird entweder an eine Anzeigeeinheit 19 wei­ tergegeben oder kann auch direkt auf Regeleinheiten oder Steuereinheiten übertragen werden. Diese steuern bei­ spielsweise die Wärmemengenzufuhr zu einem Gasbrenner, durch Variation des Druckes und damit des Volumenstromes des zugeführten Gases oder regeln das Mischungsverhältnis zweier Gassorten so, daß die Mischung eine konstante Wob­ bezahl einhält.

Die Temperaturregelung im Gehäuse 4 der Meßvorrichtung 2 kann beispielsweise durch einen PID-Regler erfolgen, der gegebenenfalls in die Auswerteeinheit 7 integriert ist. Der Lüfter 8 kann dabei einerseits kühlen und anderer­ seits eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Gehäuse 4 sicherstellen. Im Ausführungsbeispiel sorgt der Lüfter 8 für eine Umwälzung, so daß eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung im Gehäuse 4 sichergestellt ist. Der Tempera­ turfühler 18, nach welchem die Heizung 6 geregelt wird, ist hier nach dem Strömungswiderstand 9 außen am Gasrohr angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, den Temperatur­ fühler 18 im Rohr anzuordnen und die Heizung 6 nach der Gastemperatur zu regeln.

Die dargestellte Vorrichtung ist bevorzugt in einem Ne­ benstrom des Meßgases angeordnet. So kann die Auswerte­ einheit 7 selbsttätig nach verschiedenen Kriterien eine Eichung der Meßanordnung, also eine Überprüfung und ge­ gebenenfalls eine Korrektur von Parametern der Näherungs­ funktionen vornehmen, ohne daß nachfolgende Gasverbrauchs­ einrichtungen beeinträchtigt werden. Hierzu wird von der Auswerteeinheit 7 das Ventil 13 der Meßgasleitung ge­ schlossen und das Ventil 14 zu einem Eichgasreservoir 15 geöffnet. Zur Eichung der Vorrichtung können dann die Parameter der Näherungsfunktionen so abgeglichen werden, daß korrekte in der Auswerteeinheit 7 gespeicherte Werte für Wobbezahl und Brennwert des Eichgases durch die Nä­ herungsfunktionen approximiert werden. Als Kriterium zur Durchführung des Kalibriervorganges ist beispielsweise eine feste zeitliche Schranke vorgesehen. Weitere Krite­ rien können aber auch durch starke Veränderungen oder eine große Streuung der Näherungswerte gegeben sein. Durch diese selbständige Kalibrierung wird eine ausge­ zeichnete Langzeitstabilität der zu bestimmenden Werte erreicht.

Claims (18)

1. Verfahren zur verbrennungslosen Bestimmung der Wob­ bezahl und/oder des Brennwertes eines strömenden Gases, wobei der Volumenstrom gemessen und weite­ re charakteristische Kenngrößen des Gases, wie Druckabfall, Dichte, Viskosität oder dergleichen, gemessen und/oder konstant gehalten werden, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Massenstrom ther­ misch gemessen wird, und daß aus dem Volumen- und dem Massenstrom sowie mindestens einer weiteren der genannten Kenngrößen mit Hilfe von Näherungs­ funktionen die Wobbezahl und/oder der Brennwert bestimmt und angezeigt oder weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gas isotherm über einen Strömungs­ widerstand mit laminarer Strömung entspannt wird, und daß zur Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwerts der Druckabfall über den Wider­ stand gemessen und/oder konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem Volumenstrom und dem Druck­ abfall näherungsweise die Gasdichte und aus die­ ser und dem Massenstrom mit Hilfe von Näherungs­ funktionen die Wobbezahl und/oder der Brennwert bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zur Messung des Massenstroms einen Hitzdraht mit konstanter Übertemperatur kühlt und die Heizspannung als Maß für den Massenstrom verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung ein Eichgas verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einem Ne­ benstrom gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas gegen die At­ mosphäre entspannt wird.

8. Verfahren zur Steuerung der Wärmemengenzufuhr, der Flammentemperatur und/oder des Sauerstoffgehaltes im Abgas bei einem Gasbrenner, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wobbezahl nach einem der vorangehenden Verfahren bestimmt und diese als Steuerparameter für die Steuerung des Gasdrucks am Gasbrenner verwendet wird.

9. Verfahren zur Regelung bei der kontinuierlichen Mischung zweier Gassorten, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbezahl des Mischgases nach einem Ver­ fahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt und die Wobbezahl als Regelgröße für die quantita­ tive Mischung verwendet wird, so daß die Wobbezahl des Mischgases konstant bleibt.

10. Verfahren zur kontinuierlichen, quantitativen Ana­ lyse einer Mischung zweier bekannter Gassorten, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennwert des Mischgases nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt und aus dieser das Mi­ schungsverhältnis berechnet wird.

11. Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes eines Gases mit einem Druckregler, einen Laminarwiderstand zur isothermen Expansion des Gases und einem Vo­ lumenstrommesser, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermischer Mas­ senstrommesser (10) und eine Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brenn­ werts mit Hilfe von Näherungsfunktionen aus dem Druckabfall, dem Volumen- und dem Massenstrom vor­ gesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Laminarwiderstand (9) als ein Kapil­ larrohr ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckregler (5), der Lami­ narwiderstand (9) und die Durchflußmesser (10, 11) in einem temperierten Gehäuse (4) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Lüfter (8), eine Heizung (6), eine Regeleinheit (7) und ein Temperaturfühler (18) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse (4) wärmeisoliert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßgerät (12) zur Messung des Druckabfalls über den Laminarwider­ stand (9) und die Durchflußmesser (10, 11) vor­ gesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor zur Mes­ sung der Gastemperatur vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß von der Auswerteein­ heit (7) steuerbare Ventile (13, 14) vorgesehen sind, so daß der Vorrichtung (2) wahlweise Meß- oder Eichgas zugeführt wird.