DE4206845A1

DE4206845A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln des anteils einer gaskomponente in einem gasgemisch sowie verwendung einer derartigen vorrichtung

Info

Publication number: DE4206845A1
Application number: DE4206845A
Authority: DE
Inventors: Peter Kohlstrung
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: DE4206845C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wobei das Rest-Gasge misch in seinen Eigenschaften homogen ist, eine Vorrichtung zum Ermitteln des Anteils einer Gaskomponente, die insbesondere zum Durchführen des Verfahrens geeignet ist, sowie die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.

Üblicherweise wird der Anteil von Gaskomponenten in einem Gas gemisch mit Hilfe von Sensoren bestimmt, die für die ent sprechenden Gase ausgelegt sind. Allerdings sind diese Sensoren ausgesprochen empfindlich gegen Verunreinigungen, zudem erfor dern sie oftmals einen hohen Aufwand bei der Auswertung der Messungen. Wenn zudem in einem Bereich hoher Temperaturen gemes sen werden soll, kommt eine Störanfälligkeit der Meßanordnung hinzu.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Ermitteln des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch zur Verfügung zu stellen, das bzw. die auch unter extremen Umgebungsbedingungen optimal arbeitet.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Patent anspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung, die insbesondere zum Durch führen des Verfahrens bestimmt ist, ist Gegenstand von Patent anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unter ansprüche.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß in dem Gasgemisch eine Druckdifferenz aufgebaut wird, diese Druckdifferenz gemessen und daraus die Dichte des Gasgemisches abgeleitet wird und die Dichte zum Bestimmen des Anteils der Gaskomponente verwendet wird.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Schwierigkeiten herkömmlicher Messungen einfach dadurch überwunden werden können, daß die interessierenden Größen nicht direkt, sondern indirekt bestimmt werden können. Dabei wird ausgenutzt, daß die Druckdifferenz in einem strömenden Gas direkt proportional zur Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches ist, sofern die übrigen Parameter der Strömung konstant gehalten werden. Ist einmal die Dichte des Gasgemisches ermittelt, so kann, wenn die Eigenschaften des Rest-Gasgemisches bekannt sind, der Anteil der interessierenden Gaskomponente auf einfache Weise bestimmt werden.

Dazu sei angenommen, daß die Gaskomponente G1 sowie das Rest- Gasgemisch G2 jeweils für sich als ein ideales Gas zu behandeln sind, wobei im Bedarfsfall zur genauen Berechnung die jeweiligen Realgasfaktoren herangezogen werden können. Dann gilt jeweils für die einzelnen Partialdrücke p₁, p₂, da beide Bestandteile des Gasgemisches sich in demselben Volumen V auf gleicher Tempe ratur T befinden:

p₁ · V = m₁ · R₁ · T, (I)

p₂ · V = m₂ · R₂ · T; (II)

wobei m₁, m₂ die Massen der Bestandteile sind. Mit R₁, R₂ wer den die jeweiligen Gaskonstanten bezeichnet, d. h., sie stellen fur jede Gassorte bzw. jedes homogene Gasgemisch einen festen Wert dar. Damit ergibt sich der Gesamtdruck p_g des Gasgemisches zu

p_g = p₁ + p₂ (III)

beziehungsweise, unter Verwendung der Gleichungen (I) und (II) und durch Ausnutzen der Definitionsgleichung für die Dichte ρ_g des Gasgemisches

ρ_g = (m₁ + m₂)/V (IV)

und der Definitionsgleichung für den Massenanteil x der Gas komponente 1

x = m₁/(m₁ + m₂) (V)

zu

p_g = ρ_g · (x · R₁ · T + (1 - x) · R₂ · T) (VI)

woraus sich x berechnen läßt, nämlich als

Mit so ermitteltem x und bei Kenntnis von o_g kann aus der Glei chung (I) auch der Partialdruck der Gaskomponente 1 ermittelt werden. Durch arithmetische Umformungen erhält man:

p₁ = (p_g - ρ_g · R₂ · T) (VIII)

Damit kann praktisch allein aus der auftretenden Druckdifferenz auf den Partialdruck einer Gaskomponente G1 geschlossen werden.

Für die Auswertung ist es oftmals ausreichend, wenn der Gesamt druck p_g und die Temperatur T als konstant angenommen werden. Dann geht als einziger Parameter die Druckdifferenz in die Auswertung ein, so daß diese ausgesprochen schnell vorgenommen werden kann. Bei vielen Anwendungen wird allerdings zumindest die Temperatur ein sich ändernder oder schwankender Parameter sein.

Insbesondere um die Meßgenauigkeit des Verfahrens zu erhöhen, können der Gesamtdruck des Gasgemisches und/oder die Temperatur des Gasgemisches erfaßt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Druckdifferenz durch ein in das zur Verfügung stehende Volumen einströmendes Gasgemisch aufgebaut.

Ebenso bevorzugt ist es, die Druckdifferenz durch Erzeugen eines Wirbels in dem Gasgemisch aufzubauen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere auch dann einsetzen, wenn herkömmliche Bestimmungsmethoden scheitern. Oftmals stellt sich das Problem, beispielsweise den Anteil des Wasserdampfes oder seinen Partialdruck zu ermitteln, wobei das Rest-Gasgemisch dann Luft wäre. Mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren kann dies sogar dann durchgeführt werden, wenn hohe Umgebungstemperaturen herrschen. Auch eine Gefahr des Ausfalls einer für das Verfahren geeigneten Vorrichtung, beispielsweise durch Verschmutzen, ist nahezu ausgeschaltet.

Eine Vorrichtung zum Bestimmen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, in dem das Rest-Gasgemisch in seinen Eigen schaften homogen ist, umfaßt eine Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch, wenigstens einen Druckmesser zum Erfassen des Druckes in dem Gasgemisch an wenigstens zwei voneinander beabstandeten Meßpunkten definierter Lage, eine Einrichtung zum Bestimmen der Dichte des Gasgemisches aus wenig stens einer Druckdifferenz von Drücken an zwei Meßpunkten sowie aus vorgebbaren Daten der erzeugten Strömung und eine Auswerte einrichtung zum Bestimmen des Anteils der Gaskomponente zumin dest aus der Dichte des Gasgemisches.

Dabei kann zum Erfassen des Gesamtdruckes des Gasgemisches ebenfalls ein Druckmesser vorgesehen sein.

Ferner kann es vorteilhaft sein, eine Temperaturerfassungsein richtung vorzusehen.

Bevorzugt ist es, wenn die Einrichtung zum Erzeugen einer Strö mung in dem Gasgemisch eine Düse umfaßt. Die Meßpunkte, die zum Erfassen der Drücke, die für die Druckdifferenz verwendet werden sollen, notwendig sind, werden dann innerhalb des Strö mungskegels angeordnet, und zwar bevorzugt auf der Strömungs achse. Falls die Ausströmgeschwindigkeit des Gasgemisches aus der Düse nicht konstant ist, muß auch sie erfaßt werden, damit sie gegebenenfalls in die Auswertung einfließen kann.

Ebenso bevorzugt ist es, wenn die Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch ein Rotor ist. Dieser erzeugt einen Wirbel, wobei die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse in radialer Richtung für die Ausbildung einer Druckdifferenz verantwortlich sind. Abgesehen von der Lage der Meßpunkte, die bevorzugt hinreichend im Inneren des Wirbels liegen sollen, ist die sich ausbildende Druckdifferenz abhängig von dem Radius des Wirbels und der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl des Rotors, so daß gegebenenfalls auch diese Größen zu erfassen und für die Auswertung bereitzustellen sind.

Oftmals sind die sich einstellenden Druckdifferenzen sehr ge ring. Daher ist eine geeignete Auswahl des Druckmessers beson ders wichtig. So hat sich gezeigt, daß zweckmäßigerweise der Druckmesser ein Piezoquarz-Druckmesser bzw. -Differenzdruckmes ser ist, mit dem Drücke bis hinab zu wenigen mbar erfaßt werden können.

An Stellen konstanter Strömungsgeschwindigkeit kann der Diffe renzdruck auch mit einem Prantl-Staurohr erzeugt werden. Eine solche Stelle kann beispielsweise die Peripherie eines Rotors mit konstanter Drehzahl sein.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfin dung können in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt wer den.

Bevorzugt ist zunächst eine Verwendung der Vorrichtung als Meßgerät zum Erfassen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.

Wenn beispielsweise der Anteil an Wasserdampf in Luft mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt wird, kann diese als Geber für eine Klimasteuerung eingesetzt werden. Dies bietet sich dabei insbesondere in solchen Räumen an, wo ohnehin eine Belüftung mittels eines rotierenden Gebläses durchgeführt wird. Im Idealfall kann dieses Gebläse gleichzeitig als Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung dienen, welche für die erforderliche Druckdifferenz sorgt. Dabei kann an Anwendungen in Gewächshäu sern, aber auch in anderen Räumlichkeiten, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug gedacht werden. Es kann aber auch ein separater Rotor bzw. eine Düse angeordnet werden, so daß auch Wohnräume, Saunen usw. überwacht bzw. hinsichtlich ihres Wasser dampfanteiles gesteuert werden können. Insbesondere bei den Klimasteuerungen ist es vorteilhaft, eine Temperaturkompensation durchzuführen, das heißt, zumindest auch die Temperatur des Gasgemisches zu erfassen, und zwar vorteilhaft an den Punkten, die auch Meßpunkte für die Ermittlung der Druckdifferenzen sind.

Darüberhinaus kann die Vorrichtung zum Überwachen von Trock nungsprozessen bei hohen Temperaturen verwendet werden.

Weiterhin ist eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Überwachen des Anteils an Wasserdampf in der Atmosphäre eines Garraums oder als Geber für die Steuerung des Anteils an Wasserdampf in dem Garraum geeignet. Die Qualität von Koch- und Garprozessen hängt entscheidend davon ab, ob eine hinsichtlich des Wasserdampfes optimierte Atmosphäre innerhalb des Garraumes aufrechterhalten werden kann. Der ohnehin in einem derartigen Garraum vorhandende Lüfter kann dabei grundsätzlich auch als Einrichtung zum Erzeugen der für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Strömung eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn zusätzliche Hilfsschau feln rückseitig an einem ohnehin vorhandenen Gebläse vorgesehen ist. Es kann dann derselbe Antrieb wie für das Gebläse benutzt werden, so daß keine zusätzlichen baulichen Maßnahmen erforder lich sind. Es wird aber durch diese Anordnung der Hilfsschaufeln vermieden, daß der Meßbereich unerwünschten und zum Teil auch unbeeinflußbaren Störungen im Garraum ausgesetzt ist.

Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Ablaufes eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Rotor zum Erzeugen eines Wirbels und

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Quer schnittsansicht eines Gebläses, bei dem zusätzliche Hilfsschaufeln an seiner Rück seite vorgesehen sind.

Gemäß dem Verfahrensablauf nach Fig. 1 wird zunächst der Druck an zwei Meßpunkten bestimmt, wobei die Meßpunkte innerhalb einer erzwungenen Strömung des Gasgemisches liegen. Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, daß der sich einstellende Diffe renzdruck umso größer ist, je weiter die Meßpunkte in Richtung der Stromlinien der Strömung voneinander beabstandet sind. Wenn man das Gasgemisch beispielsweise aus einer Düse ausströmen läßt, so wird ein Meßpunkt in der Nähe der Ausströmöffnung angeordnet sein, der zweite Meßpunkt in Hauptrichtung der Aus strömgeschwindigkeit davon entfernt. Ist die erzeugte Strömung ein Wirbel, kann ein Meßpunkt in der Nähe des Wirbelzentrums, der andere in der Nähe der Wirbelperipherie vorgesehen sein. Die Störeinflüsse für die Messung werden geringer, wenn man die beiden Meßpunkte hinreichend im Inneren des Wirbels vorsieht. Dann kann man annehmen, daß die Dichte mit Hilfe eines konstan ten Radius berechnet werden kann. Aus den Drücken an den Meß punkten wird der Differenzdruck ermittelt. Diese beiden Verfah rensschritte können auch zusammengefaßt werden, wenn ein ent sprechend empfindlicher Differenzdruckmesser, beispielsweise ein Piezoquarz-Differenzdruckmesser verwendet wird. Im nächsten Schritt erfolgt die Dichtebestimmung, wobei in diese gegebenen falls die Ausströmgeschwindigkeit aus der Düse, soweit diese veränderlich sein kann, bzw. die Drehzahl des Rotors und die Größe des Wirbels, der von dem Rotor erzeugt wird, eingehen. Der Einschluß dieser Größen ergibt sich aus strömungstheoreti schen Überlegungen, sie können formelmäßig in ein entsprechendes Kalkulationsprogramm eingearbeitet werden. Gegebenenfalls werden Gesamtdruck und Temperatur ermittelt, wobei die Erfassung der Temperatur wegen der proportionalen Abhängigkeit zur Gasdichte wesentlich werden kann.

Aus den zur Verfügung stehenden Größen kann nunmehr der Mas seanteil einer Gaskomponente oder aber auch des Rest-Gasge misches bestimmt werden. Es ist bereits aufgezeigt worden, daß unter Zuhilfenahme dieser gemessenen bzw. berechneten Größen auch der Partialdruck der Gaskomponente bzw. des Rest-Gas gemisches ermittelt werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Rotor, der zur Erzeugung eines Wirbels dienen soll. Auf einer Platte oder Scheibe 1, die auch durch die Rückseite eines Gebläses gebildet sein kann, sind sechs sich von der Scheibe 1 vertikal er streckende Flügel 2 in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet. Die Scheibe 1 ist um eine in ihrem Zentrum angebrachte Achse 3 drehbar. Im Bereich zwischen 2 Flügeln sind Meßpunkte 4, 5 vorgesehen, die radial voneinander beabstandet sind, wobei der Meßpunkt 4 nahe der Achse 3 und der Meßpunkt 5 nahe der Peri pherie der Scheibe 1 vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, wiederum in schemati scher Darstellung, eines Gebläses 6 mit rückwärtig auf eine Scheibe 1 aufgebrachten Flügeln bzw. Hilfsschaufeln 2 besteht, welche einen Rotor wie in Fig. 2 bilden. Die Anordnung ist gemeinsam um eine Achse 3 drehbar angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß für die praktische Anwendung in einem Gargerät eine Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 geeignet ist, wobei die Flügel 2 aus einem 7 mm hohen Winkelstahl be stehen. Die Anordnung dreht sich mit etwa 1470 upm, wobei ein Differenzdruck von 1 bis 2 mbar erzeugt wird, der mittels eines Piezoquarz-Differenzdruckmessers umfaßt wird. Es kann in allen Temperaturbereichen gearbeitet werden. Allenfalls ist eine Hochtemperaturgrenze durch die für den Rotor und dergleichen verwendeten Materialien vorgegeben. Weitere Grenzen findet das Verfahren, wenn der Differenzdruck nicht mehr mit der hinrei chenden Meßgenauigkeit erfaßt werden kann. Diese ist von der Rotorgeschwindigkeit bzw. von der Ausströmgeschwindigkeit der Düse abhängig, aber auch von dem verwendeten Druckmesser.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirkli chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 Scheibe
2 Flügel, Hilfsschaufel
3 Achse
4 Meßpunkt
5 Meßpunkt
6 Gebläse

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, wobei das Rest-Gasgemisch in seinen Eigen schaften homogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gasge misch eine Druckdifferenz aufgebaut wird, diese Druckdifferenz gemessen und daraus die Dichte des Gasgemisches abgeleitet wird und diese Dichte zum Bestimmen des Anteils der Gaskomponente verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtdruck des Gasgemisches und/oder die Temperatur des Gasge misches erfaßt wird/werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch ein in das zur Verfügung stehende Volumen einströmendes Gasgemisch aufgebaut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz durch Erzeugen eines Wirbels in dem Gasgemisch aufgebaut wird.

5. Vorrichtung zum Bestimmen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, in dem das Rest-Gasgemisch in seinen Eigen schaften homogen ist, insbesondere zum Durchführen des Verfah rens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß sie

- eine Einrichtung (1, 2) zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch,
- wenigstens einen Druckmesser zum Erfassen des Druckes in dem Gasgemisch an wenigstens zwei voneinander beab standeten Meßpunkten (4, 5) definierter Lage,
- eine Einrichtung zum Bestimmen der Dichte des Gas gemisches aus wenigstens einer Druckdifferenz aus Drük ken an zwei Meßpunkten sowie aus vorgebbaren Daten der erzeugten Strömung und
- eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Anteils der Gaskomponente zumindest aus der Dichte des Gasgemisches aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmesser zum Erfassen des Gesamtdruckes des Gasgemisches vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturerfassungseinrichtung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch eine Düse umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch ein Rotor (1, 2) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Druckmesser ein Piezoquarz-Differenz druckmesser ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruckerzeuger ein Prantl-Stau rohr ist.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 als Meßgerät zum Erfassen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.

13. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 als Geber für eine Klimasteuerung.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 zum Überwachen von Trocknungsprozessen bei hohen Temperaturen.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11 zum Überwachen des Anteils an Wasserdampf in der Atmosphäre eines Garraums oder als Geber für die Steuerung des Anteils an Wasserdampf.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, insbesondere zur Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1, 2) rückseitig an einem Gebläse (6), wie einem Radial gebläse oder dergleichen, vorgesehen ist.