DE4118781C2 - Wobbezahlmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbrennungslosen Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes eines strömenden Gases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11.

Aus der EP-A-0 022 493 ist ein derartiges Verfahren be­ kannt, bei dem Gas über einen Laminarwiderstand entspannt wird. Aus dem Druckabfall über den Widerstand und dem Volu­ menstrom 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 Tur­ bulenzwiderstand die Gasdichte bestimmt werden soll, so dass mit deren Hilfe der Brennwert des Gases aus der Wobbe­ zahl bestimmt werden kann.

Die DE 29 28 739 B1 zeigt ein Verfahren zur verbrennungslo­ sen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu Gas­ verbrauchseinrichtungen, bei dem zumindestens ein Teilstrom von Brenngas über eine laminare Strömung und einen Druckabfall bewirkenden Strömungswiderstand geleitet, der Gasvolu­ menstrom und/oder der Druckabfall gemessen und die andere Größe konstant gehalten wird, der Temperatureinfluss kom­ pensiert wird und die gemessene Größe als Mess- oder Regel­ signal gewonnen wird.

Die US 4,677,841 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der relativen Dichte von Gasen, wobei Gas unter Druck durch eine gegenüber dem Rohrleitungsquerschnitt sehr kleine Öffnung oder ein Rohr geleitet wird und die Größe im Hinblick auf den erfolgenden Druck derart bestimmt ist, dass Abweichungen des Gases vom Idealverhalten im wesentli­ chen durch andere Fließeffekte ausgeglichen werden, so dass ein Entladungskoeffizient bei der Berechnung einer Flussra­ te nicht zu berücksichtigen ist. Dabei wird der Druckabfall über die Öffnung oder das Rohr gemessen und aufgrund der­ selben die Durchflussrate gemessen, die umgekehrt proporti­ onal zur relativen Dichte ist.

Die Wobbezahl und der Brennwert stellen wesentliche Parame­ ter für die Wärmebelastung eines Gasbrenners dar. So ist beispielsweise zur Kontrolle der Gasqualität eine Messung dieser Parameter wichtig.

Neben der bekannten verbrennungslosen Messung war es bisher üblich, einen Teilstrom des Gases zu verbrennen und die da­ bei 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 Verfah­ ren und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine einfache, sehr genaue und verbrennungslose Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes gestattet.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zur Lösung der Aufgabe sind bei einer gattungsgemäßen er­ findungsgemäßen Vorrichtung weiterhin die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 11 vorgesehen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Gas isotherm über einen Strömungswiderstand mit laminarer Strömung entspannt wird.

Der Erfindung liegt die wesentliche Idee zugrunde, dass der thermisch gemessene Massenstrom, welcher ein Maß für die durch die Messeinrichtung bewegte Gasmasse und deren Wärme­ kapazität 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 cha­ rakteristischen 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 isother­ men Expansion lässt sich die Gasdichte näherungsweise aus dem Druckabfall über den Laminarwiderstand und aus dem Vo­ lumenstrom bestimmen. Gemäß diesen Überlegungen ist daher die Wobbezahl bzw. der Brennwert eines Gases aus den Mess­ werten für den Massen-, den Volumenstrom und den Druckab­ fall bestimmbar. Erfindungsgemäß wird diese Bestimmung mit Hilfe von Näherungsfunktionen ausgeführt.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet eine einfache Messung mit kurzer Ansprechzeit, da die einzelnen Messwerte ohne Verzögerung gemessen werden können. Die indirekte Berück­ sichtigung der zwei Parameter Dichte und Wärmekapazität gestattet die präzise und reproduzierbare Bestimmung der Wobbezahl bzw. des Brennwertes und gewährleistet eine hohe Messgenauigkeit.

Es ist vorgesehen, dass das Gas zur Messung des Massenstro­ mes einen Hitzdraht mit konstanter Übertemperatur kühlt und die Heizspannung als Maß für den Massenstrom verwendet wird. Dies gestattet eine einfache Messung der für die Be­ stimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwertes wesentli­ chen Größe.

Es ist vorgesehen, dass zur Kalibrierung ein Eichgas ver­ wendet wird. Aufgrund der kurzen Messzeit kann eine Eichung 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 ausgeführt werden können, ohne dass ein kontinuierlich betriebenes Gasverbrauchsgerät von der Versorgung abgeschnitten oder mit verschiedenen Gasen beaufschlagt wird. Dadurch wird ei­ ne ausgezeichnete Langzeitstabilität der Kennwerte er­ reicht.

Indem das Gas gegen die Atmosphäre entspannt wird, lässt sich die Betriebsdichte des Gases bestimmen. Die Expansion des Gases erfolgt isotherm, also bei einer festgelegten Temperatur. So lässt sich bei bekannten Atmosphärendruck dann auch die Normdichte und der Normwobbeindex bestimmen.

In bevorzugter Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Steuerung der Wärmezufuhr, der Flammentempe­ ratur und/oder des Sauerstoffgehalts im abgasfreien Gas­ brenner die Wobbezahl in der erfindungsgemäßen Weise be­ stimmt und mittels dieser als Steuerparameter der Gasdruck am Gasbrenner gesteuert wird. Als vorteilhaft ist dabei an­ zusehen, dass die kurze Ansprechzeit in Verbindung mit der hohen Messgenauigkeit eine schnelle Steuerung mit kleinen Fehlern gestattet.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist ein Verfahren zur Regelung der kontinuierlichen Mischung zweier Gassorten vorgesehen, bei dem wiederum die Wobbezahl des Mischgases gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt und mittels der bestimmten Wobbezahl die quantitative Mischung derart geregelt wird, dass die Wobbezahl des Mischgases konstant bleibt. Hierbei ermöglicht die kurze Ansprechzeit in Ver­ bindung mit der hohen Messgenauigkeit eine sehr schwan­ kungsarme Regelung.

Umgekehrt kann auch kontinuierlich eine quantitative Analy­ se einer Mischung zweier bekannter Gasarten ausgeführt wer­ den, indem aus dem erfindungsgemäß bestimmten Brennwert des Mischgases das Mischungsverhältnis bestimmt wird.

Bevorzugt ist der Laminarwiderstand als ein Kapillarrohr ausgebildet. Das Kappilarrohr ist dabei bevorzugt spulen­ förmig gebogen, so dass eine große Länge auf kleinem Raum untergebracht werden kann. Die große Länge stellt dabei si­ cher, dass sich eine laminare Strömung ausbildet, gestattet einen guten Wärmekontakt zur Umgebung und gewährleistet ei­ ne 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 Ge­ häuse angeordnet sind. Hierdurch werden eine isotherme Ex­ pansion 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 Näherungsfunktion 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, experimentiell bestimmten Formeln berech­ net:

W = a₀ + a₁x + a₂x², mit x = c₁(U_u/dP)ⁿ¹(1/U_m)ⁿ²(c₂ - U_m/c₃)ⁿ³
und

H = b_o(U_u/dP)ⁿ¹(c₂ - U_m/c₃)ⁿ³(U_m)ⁿ²(U_m/U_u)ⁿ⁴

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 Wobbe­ zahl und/oder des Brennwertes eines strömenden Gases, wobei der Volumenstrom des Gases gemessen wird, der Massestrom des Gases thermisch gemessen wird, das Gas über einen Strömungswiderstand entspannt und der Druck­ abfall über den Widerstand gemessen und/oder konstant gehalten wird und aus dem Volumen- und dem Massenstrom sowie dem Druckabfall mit Hilfe von Näherungsfunktionen die Wobbezahl und/oder der Brennwert bestimmt und ange­ zeigt oder weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas isotherm über den Strömungswiderstand mit lami­ narer Strömung entspannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass aus dem Volumenstrom und dem Druckabfall nä­ herungsweise die Gasdichte und aus dieser und dem Mas­ senstrom mit Hilfe von Näherungsfunktionen die Wobbe­ zahl und/oder der Brennwert bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Gas zur Messung des Mas­ senstroms einen Hitzdraht mit konstanter Übertemperatur kühlt und die Heizspannung als Maß für den Massenstrom verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung ein Eichgas verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Gas in einem Nebenstrom gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Gas gegen die Atmosphäre entspannt wird.

8. Verfahren zur Steuerung der Wärmemengenzufuhr, der Flammentemperatur und/oder des Sauerstoffgehalts im Ab­ gas bei einem Gasbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass die Wobbezahl nach einem Verfahren gemäß einem der An­ sprüche 1 bis 7 bestimmt und mittels dieser als Steuer­ parameter der Gasdruck am Gasbrenner gesteuert wird.

9. Verfahren zur Regelung bei der kontinuierlichen Mi­ schung zweier Gassorten, dadurch gekennzeichnet, dass die Wobbezahl des Mischgases nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bestimmt und mittels der Wobbezahl als Regelgröße die quantitative Mischung derart geregelt wird, dass die Wobbezahl des Mischgases konstant bleibt.

10. Verfahren zur kontinuierlichen, quantitativen Analyse einer Mischung zweier bekannter Gassorten, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Brennwert des Mischgases nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 be­ stimmt und aus dieser das Mischungsverhältnis berechnet wird.

11. Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung der Wobbe­ zahl und/oder des Brennwertes eines Gases mit einem Druckregler, einem Laminarwiderstand zur isothermen Ex­ pansion des Gases und einem Volumenstrommesser, insbe­ sondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Massenstrommesser (10) und eine Auswerte­ einheit (7) zur Bestimmung der Wobbezahl und/oder des Brennwerts mit Hilfe von Näherungsfunktionen aus dem Druckabfall, dem Volumen- und dem Massenstrom vorgese­ hen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laminarwiderstand (9) als ein Kapillarrohr ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Druckregler (5), der Laminarwi­ derstand (9) und die Durchflussmesser (10, 11) in einem temperierten Gehäuse (4) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüfter (8), eine Heizung (6), eine Regelein­ heit (7) und ein Temperaturfühler (18) vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 Laminarwiderstand (9) und die Durchflussmesser (10, 11) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Messung der Gastem­ peratur vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit (7) steu­ erbare Ventile (13, 14) vorgesehen sind, so dass der Vorrichtung (2) wahlweise Mess- oder Eichgas zugeführt wird.