DE69025581T2

DE69025581T2 - Energiemessung von Heizgasen

Info

Publication number: DE69025581T2
Application number: DE69025581T
Authority: DE
Inventors: William Lee Thompson
Original assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Current assignee: INT CONTROL AUTOMATION FINANCE
Priority date: 1990-01-24
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2010-11-17
Also published as: AU6238790A; US5074987A; NO903061D0; JPH07104325B2; AU636385B2; DE69025581D1; NO179689B; NO179689C; EP0438859A3; CA2021228A1; JPH04212052A; NO903061L; EP0438859B1; EP0438859A2; KR910014698A

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Energie in Heizgasen.
Der Energiefluß ist ein wichtiger Parameter, wenn ein Heizgas, wie Naturgas, verkauft oder eingekauft wird. Der Kunde ist daran interessiert, wieviel Heizenergie er von dem Gas erhalten kann, das er einkauft. Der Verkäufer hat typischerweise eine vertragliche Vereinbarung, mit jedem Gaseinheitsvolumen einen bekannten Mindestenergiegehalt zu liefern. Um diesen Gehalt zu erreichen, liefert der Erzeuger typischerweise einen höheren Wert, um Fehler in dem Meßsystem zu kompensieren. Mehrere Parameter oder Variable müssen in dem derzeitigen Zustand der Meßtechnologie gemessen werden. Jede Messung hat ihre eigene Fehlerquelle. Energiefluß wird derzeit nicht direkt gemessen, sondern wird errechnet, indem man eine vom Rechner unabhängige Probe zu einem Kalorimeter oder Gaschromatographen für eine spezielle Energiemessung abnimmt. Diese wird in Verbindung mit Volumenfluß, Temperatur, Druck oder anderen Messungen verwendet, um einen Energiefluß zu berechnen. Dies ist ein Verfahren, welches große, teure Instrumente erfordert. Diese Arbeitsweise benutzt eine abgegriffene Fraktion des Gesamtflusses, und diese Fraktion wird zusammen mit einer gesteuerten Luftmenge in ein Verbrennungssystem eingeführt. Ein stöchiometrischer Verbrennungsfühler überwacht die Leistungsabgabe. Seine Leistungsabgabe wird von einem Element verwendet, welches das Luftanlieferungssystem einstellt. Der Verbrennungsluftstrom wird gemessen und der Energiefluß aus dem Luftstrom und der Kalibrierung der abgespaltenen Fraktion oder des Verhältnisses errechnet (C. H. Griffis et al "Development of an Accurate Energy Flowmeter", Gas Quality, herausgegeben von G. J. van Rossum, Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 22. bis 25. April 1986, Seiten 121 bis 127).
Auf den Seiten 77 und 78 von L. Heyne "Some Properties and Applications of Zirconia- Based Solid-Electrolyte Cells", Proc. Interdisp. Symposium, 1974, Seiten 65 bis 88 wird die Verwendung einer Kombination einer Sauerstoffpumpe und eines Meßfühlers als eine Analyseneinrichtung für brennbare Gase diskutiert. Diese hängt von der Verbrennung bei der Pumpenzelle ab. Der eingeführte Sauerstoff wird derart reguliert, daß die Menge gerade so ist, wie sie für vollständige Verbrennung der vorhandenen verbrennbaren Gase benötigt wird. Der Strom bzw. die verwendete Ladung, um den Sauerstoff zu pumpen, ist somit ein Maß für die verbrennbaren Gase.
Eine Apparatur ist in F. Vizethum, G. Bauer und G. Tomandl "Computer-Control of Oxygen Partial Pressure", Science and Technology of Zirconia II (Proceedings of the Second International Conference), Seiten 631 bis 635 beschrieben, worin Sauerstoffpartialdruck durch eine Zirkonoxidzelle mit festem Elektrolyten und einen Sauerstoffmeßfühler des gleichen Materials gesteuert wird. Diese Partialdrucksteuerung wird in einem Gastitrationssystem verwendet.
D. M. Haaland "Internal-Reference Solid-Electrolyte Oxygen Sensor", Analytical Chemistry, Band 49, Nr. 12, Oktober 1977, Seiten 1813 bis 1817 diskutiert einen elektrochemischen Sauerstoffpumpmeßfühler mit einem Überwachungsabschnitt und einem Pumpabschnitt. Diese Type verwendet im wesentlichen einen kleinen Leckstrom oder eine kleine Probe aus dem zu messenden Gas und eine Pumpe, um den gesamten Sauerstoff abzusaugen, der in die Zelle eintritt. Ein Maß des Pumpstromes ergibt ein Maß des Sauerstoffs, der einleckt und somit ein Maß des Sauerstoffes in dem zu messenden Strom. Diese Meßfühlertype wurde für Verwendung in Automobilanwendungen entwickelt.
Die US-Patentschrift US-A-4 841 934 diskutiert die Verwendung einer Sauerstoffpumpvorrichtung in Verbindung mit einem Sauerstoffmeßfühler, um das Verhältnis Luft zu Brennstoff eines Motors zu steuern. Dies verwendet eine Kombination einer Sauerstoffpumpvorrichtung und einer Sauerstoffabfühleinrichtung, eine doppelte ZrO&sub2;-Gestaltung. Dies modifiziert den Sauerstoffkonzentrations-Betriebsbereich des Meßfühlers wesentlich, um die Signaleigenschaften des Meßfühlers an seinem erwünschten Arbeitspunkt zu verbessern. Diese Technik ergibt demnach die hohe Empfindlichkeit, die bei Stöchiometrie nur für andere Gemische oder Konzentrationen verfügbar ist.
Feste Sauerstoffquellen sind verfügbar. Diese können Metalloxide sein, bei denen der Sauerstoff beim Erhitzen des Materials freigesetzt wird. R. Speidel und E. R. Weidlich "A Solid State Oxygen Source for UHV", Vacuum, N.r 2, 1988, Seiten 89 bis 92 diskutieren eine Vorrichtung zur Verwendung von CuO als die feste Quelle. Hier wird ein konstanter Sauerstoffpartialdruck erzeugt, indem dem Material Wärme zugeführt wird, was eine Zersetzung des Materials bewirkt. Der Partialdruck ist eine Funktion der dem Material zugeführten Wärme. Diese Aktion setzt somit eine gesteuerte kleine Sauerstoffmenge frei. Dies liefert daher eine unabhängige Quelle für die Sauerstoffpumpe zur Verwendung, wenn sie eine gesteuerte bekannte Sauerstoffmenge an den Fließstrom im Inneren der Energiefühleranordnung liefert.
Eine direkt angeschlossene Realzeitmethode mit einzelnem Meßfühler wäre gegenüber einer, die eine Anzahl von Messungen verwendet, wobei eine oder mehrere der Messungen unabhängig gemacht werden, bevorzugt. Die oben beschriebene indirekte Methode erfordert, daß viele Parameter gemessen werden. Jede Messung hat eine mit ihr verbundene Fehlerquelle, die zu dem Fehler des Gesamtmeßsystems beiträgt (D. Wilde und S. Arcara "Modern Energy Flow Measurements", Advances in Instrumentation, Proceedings of the ISA International Conference and Exhibit, 22. bis 25. Oktober 1984, Seiten 1345 bis 1349).
Nach einem Aspekt der Erfindung bekommt man ein Verfahren zur Messung der Energie in einem Heizgas, bei dem man
a) eine Realzeitprobe von dem Gesamtstrom des Gases abnimmt, wobei die Probe eine bekannte Anteilsmenge des Gesamtstromes ist und die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie der Gesamtstrom hat,
b) eine wirkliche Verbrennungssauerstoffmenge unter Verwendung einer Feststoffelektrolyt-Sauerstoffpumpe erzeugt, welche durch einen Strom angetrieben wird, der proportional zu der wirklichen Sauerstoffmenge ist,
c) die Probe mit der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge unter Bildung eines Gemisches vermischt,
d) das Gemisch einer katalytischen Verbrennungseinrichtung für vollständige Verbrennung der Probe unter Bildung eines Abgases mit einer wirklichen Abgassauerstoffmenge darin zuführt,
e) die wirkliche Abgassauerstoffmenge in dem Abgas mißt und
f) wenn die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa gleich einer ausgewählten Abgassauerstoffmenge ist, welche vollständige Verbrennung in der katalytischen Verbrennungseinrichtung anzeigt, den Wert des die Sauerstoffpumpe antreibenden Stromes verwendet, um die Energie in dem Gas zu berechnen, und wenn die wirkliche Abgassauerstoffmenge nicht etwa gleich der ausgewählten Abgassauerstoffmenge ist, den Strom in der Stufe (b) verändert und die Stufen (c) bis (e) wiederholt, bis die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa gleich der ausgewählten Abgassauerstoffmenge ist.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung bekommt man eine Vorrichtung zur Messung der Energie in einem Heizgas mit
einer Feststoffelektrolyt-Sauerstoffpumpe zur Aufnahme einer Probe des Gases und zur Erzeugung einer wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge, wenn die Pumpe mit einem Stromwert angetrieben wird, der proportional zu der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge ist,
einer mit der Pumpe verbundenen katalytischen Verbrennungseinrichtung, um ein Gemisch der Probe plus der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge für eine Verbrennung der Probe aufzunehmen, um ein Abgas mit einer wirklichen Abgassauerstoffmenge darin zu bilden,
einem mit der katalytischen Verbrennungseinrichtung verbundenen Sauerstoffmeßfühler zum Abfühlen der wirklichen Abgassauerstoffmenge in dem Abgas und
einer zwischen den Sauerstoffmeßfühlern und der Pumpe eingeschalteten Rückkopplungssteuereinheit zum Abfühlen der wirklichen Abgassauerstoffmenge in dem Abgas und zur Erzeugung des auf der abgefühlten wirklichen Abgassauerstoffmenge basierenden Stromwertes, wobei die Steuereinheit so arbeitet, daß sie die wirkliche Abgassauerstoffmenge mit einer ausgewählten Abgassauerstoffmenge, die vollständige Verbrennung in der Verbrennungseinrichtung anzeigt, vergleicht und den Stromwert so einstellt, daß die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa der ausgewählten Abgassauerstoffmenge gleicht, und wobei die Steuereinheit Rechnereinrichtungen für das Berechnen der Energiemenge in dem Heizgas als eine Funktion des wirklichen Stromwertes, der der Pumpe zugeführt wird, einschließt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend vollständiger beschrieben ist, verwendet nicht die große und teure Anlage, die in den obenerwähnten Literaturstellen erforderlich ist, sondern schließt eher eine direktere Meßtechnik ein. Der wirkliche Energiefluß in einem gesteuerten Anteil des Gesamtstromes wird gemessen, im Gegensatz zur Messung mehrerer Flußparamter, wie des Volumenflusses, des Druckes und der Temperatur, und in Gegensatz zur Berechnung des Energieflusses wie in den bisher vorgeschlagenen Methoden.
Das Arbeiten in einer Weise mit einem einzelnen Element, wie einer Brennstoffzelle, führt zu Elektrodenproblemen, die durch die vollständige Sauerstoffverarmung an der Oberfläche des Elekterolyten verursacht werden (E. M. Logothetis, W. C. Vassell, R. E. Hetrick und W. J. Kaiser "A High-Sensitivity Sensor for the Measurement of Combustible Gas Mixtures", Transducers '85: 1985 International Conference on Solid State Sensors and Actuators, IEEE, 1985, Seiten 330 bis 332). Auch Brennstoffzellen arbeiten mit weniger als 100 % Wirksamkeit. Ihre Verwendung erfordert mehrere Stufen, um einen Punkt zu erreichen, wo das gesamte verbrennbare Material verbrannt und gemessen wird. Eine Anwendung benutzt eine Gestaltung mit zwei Elementen mit einer Pumpe und einem Meßfühler (siehe Heyne auf den Seiten 77 und 78). Diese Anwendung fügt dem System einen katalytischen Konverter hinzu, um zu gewährleisten, daß das gesamte Material verbrannt wird. Dies gewährleistet eine Messung des zu verbrennenden Gases mit hoher Genauigkeit, indem man den mit unvollständiger Verbrennung verbundenen Fehler ausschaltet.
Beim Arbeiten am stöchiometrischen Punkt hat ein Zirkonoxidmeßfühler eine hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei praktischer Verwendung (Takeuchi, Takashi "Oxygen Sensors", Sensors and Actuators, Band 14, 1988, Seiten 109 bis 124). Es gibt etwas Verbrennung im Sauerstoffpumpenbereich der Vorrichtung. Die Vollständigkeit der Verbrennung im Pumpenbereich oder in dem Betrieb der Brennstoffzelle ist jedoch a priori nicht hundert Prozent. Die Verwendung eines katalytischen Konverterabschnittes gewährleistet hundertprozentige Verbrennung, und der folgende Sauerstoffmeßfühler arbeitet in einem äußerst genauen Bereich. Diese Konstruktion fügt hinzu, daß man eine hohe Genauigkeit im Betrieb bekommt.
So wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein kontinuierlicher Realzeitanteil oder eine Realzeitprobe des Gesamtstromes von Verbrennungsgas durch das Abfühlsystem geführt. Diese Probe hat ein vorbestimmtes bekanntes Verhältnis zu dem Gesamtstrom und die gleiche Temperatur, den gleichen Druck und andere Parameter wie der zu messende Strom. Die Probe wird mit einer gesteuerten Sauerstoffmenge vermischt und in eine katalytische Verbrennungsvorrichtung derart eingeführt, daß eine vollständige Verbrennung erfolgt. Das austretende Abgas der Verbrennungsstufe oder Verbrennungsvorrichtung wird gemessen, um zu bestimmen, ob das der Verbrennungsstufe zugeführte Sauerstoffgasgemisch wie erwünscht war, das heißt entweder stöchiometrisch ist oder einen vorbestimmten Wert an Überschußsauerstoff hat, je nach der Arbeitsweise des Systems.
Wenn das Gemisch nicht wie erwünscht war, wird der in den Probenstrom eingeführte Sauerstoff so verändert, daß das erwünschte Gemisch erhalten wird. Der Sauerstoff wird in den Probenstrom unter Verwendung einer Feststoffelektrolyt-, typischerweise Zirkonoxid-Sauerstoffpumpe eingeführt. Der gepumpte Sauerstoff steht in direkter Relation zu dem durch die Zelle gehenden Strom. Dies ist als der Faraday-Effekt bekannt, nämlich daß in einem Elektrolyten die Elektrizitätsmenge, die fließt, in direkter Relation zu der Menge an elektronischer Ladung auf den Ionen steht, die in die Reaktion an den Elektroden eintreten (Handbook of Physics, zweite Auflage, herausgegeben von E. U. Condon und H. Odishaw, McGraw-Hill, New York, 1967, Seiten 4-147 und 4-148). Der Strom in der elektrochemischen Pumpe steht somit direkt in Relation zu dem gepumpten Sauerstoff plus einem kleinen Auslecken. Die Faraday-Effizienz (ein Sauerstoffion je zwei Elektronen des Stromflusses transportiert) ist sehr nahe der Übereinstimmung, wenn die Pumpzelle und die Meßzelle nicht Anteil an gemeinsamen Elektroden haben (E. M. Logothetis und R. E. Hetrick "High-Temperature Oxygen Sensors Based on Oxygen Pumping", Kapitel 8 in Fundamentals and Applications of Chemical Sensors, The American Chemical Society, 1986, Seiten 136 bis 154). Die getrennten Elektroden beseitigen die Wirkung einer Polarisierung an den Elektroden und an Korngrenzen auf die Eigenschaften der Zelle. Der Strom in der Zelle fließt primär durch den Tansport der Sauerstoffionen in dem Elektrolyten. Es gibt etwas Auslecken oder Widerstandsstromfluß, doch ist dies sehr gering.
Eine gesteuerte Sauerstoffmenge wird zugeführt, um vollständige Verbrennung zu erreichen. Der Energieinhalt des so verbrannten Gases steht in direkter Relation zu der Sauerstoffmenge, die für die Verbrennung erforderlich ist. Der erforderliche Sauerstoff variiert linear mit - der Strömungsgeschwindigkeit und mit dem Wärmeinhalt des Gases. Der Stromwert durch die Sauerstoffpumpe steht in direkter Relation zu dem gepumpten Sauerstoff. Somit steht der Strom in direkter Relation zu dem Wärme- und Energiefluß durch die Vorrichtung. In Fällen, wo der Fluß durch die Vorrichtung ein konstantes Untermehrfaches des Flusses in einer großen Leitung ist, wie in einer Gaspipeline, gibt der Ausgangswert des Meßfühlers ein Maß des Energieflusses in der großen Leitung an.
Die Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher überall gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und worin
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Sauerstoff, der für eine stöchiometrische Verbrennung von verbrennbaren Verbindungen erforderlich ist, welche sich üblicherweise in Naturgas finden, und dem Energie- oder Wärmeinhalt der Verbrennungsgase ist,
Fig. 2 eine schematische Explosionsdarstellung einer Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, welches die elektronischen Teile in einem elektronischen Steuerkreis zeigt, welcher in der Vorrichtung von Fig. 2 verwendet werden kann,
Fig. 4 eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt, die in situ für direkte Messung von Energie benutzt wird, welche in einem Heizgasstrom verfügbar ist,
Fig. 5 eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erläutert, welche außerhalb des Heizgashauptstromes positioniert ist, und
Fig. 6 eine schematische Erläuterung einer anderen Anordnung zur Benutzung einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist.
Bezieht man sich auf Fig. 1 der Zeichnung, so ist dort eine Kurve des Wärme- oder Energieinhaltes von Naturgas gegen den Sauerstoffanteil aufgezeichnet dargestellt, der erforderlich ist, um seine Bestandteile vollständig zu verbrennen (Steam, 38. Auflage der Babcock & Wilcox Company, New York, 1975, Seite 6-2) bei einer Temperatur von 16 ºC (60 ºF) und einem Druck von 10&sup5; Pa (30 in Quecksilber, naß). Es wird ersichtlich sein, daß der erforderliche Sauerstoff, um ein bestimmtes Volumen des Hauptteils von Gemischen von Naturgas vollständig zu verbrennen, in Relation zu dem Energieinhalt des gleichen Volumens des Gases steht.
Dieser Weg ist sehr empfindlich gegenüber dem Strom und der Energie und unempfindlich gegenüber Veränderungen der Temperatur, der Gasdichte und der Feuchtigkeit. Fig. 2 zeigt funktionell eine Anwendung dieses Weges. Obwohl Fig. 2 eine zylindrische Geometrie zu Instruktionszwecken zeigt, würden die wirklichen Geometrien einen langen schmalen zylindrischen Abschnitt, wabenförmige Querschnitte, Querschnitte mit parallelen Seiten und sehr kleinen Abtrennungen und ähnliches einschließen, die alle dazu dienen, die dem Strom dargebotene Fläche zu maximieren, um die Effizienz der Zelle zu maximieren. Der Faktor von Bedeutung besteht darin, daß genügend Sauerstoff in den Gasstrom eingeführt wird, um vollständige Verbrennung zu bekommen.
Die Sauerstoffmenge wird von Stöchiometrie bis zu überschüssigem Sauerstoff variiert, um die Arbeitbarkeit der Vorrichtung zu überprüfen. Diese Veränderung wird periodisch vorgenommen, um zu gewährleisten, daß die Vorrichtung ordentlich arbeitet. Ein variabler Anteil des Sauerstoffes kann gepumpt werden, um variierende Verbrennungswerte statt stöchiometrischer Gemische zu ergeben. Veränderung der Werte kann benutzt werden, um die Leistung zu überprüfen, indem man bestimmt, ob die Sauerstoffabgabeanzeige mit einem Ruf nach höherem zu pumpenden Sauerstoffwert ansteigt. Der Meßfühler hat einen sehr hohen Verstärkungsfaktor bei dem stöchiometrischen Verbrennungspunkt, und eine leichte Veränderung des Sauerstoffgehalte verursacht eine große Veränderung im Abgabewert, wenn er gut funktioniert. Dieser Test dient dazu, das Arbeiten der Sauerstoffpumpe und des Sauerstoffmeßfühlers zu überprüfen. Er zeigt auch an, ob Verbrennung in der katalytischen Verbrennungseinrichtung stattfindet, da der Sauerstoffmeßfühler keinen überschüssigen Sauerstoff für einen Sauerstoffgehalt anzeigt, der in den Gasstrom gepumpt wird.
Die Meßanordnung 40 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Der Strom geht von links nach rechts der Zeichnung. In der Praxis hat die Geometrie eine kleine Öffnung in bezug auf den Querschnittsbereich des Inneren der Vorrichtung. Dies ergibt eine große Fläche, die dem Strom für das Sauerstoffpumpen und für die Verbrennung zur Verfügung steht, um zu gewährleisten, daß das Verbrennungsverfahren vollständig ist. Dies ist für die Genauigkeit der Messung erforderlich.
Von links nach rechts strömendes Gas tritt in den ersten Teil des Systems ein, welcher eine Vorrichtung ist, die eine steuerbare Sauerstoffquelle liefern kann, in der Form einer Miniaturbrennstoffzelle 10, die einen festen Elektrolyten, wie stabilisiertes Zirkonoxid, verwendet. Sie erzeugt oder pumpt eine Sauerstoffmenge zu ihrem Inneren direkt in Relation zu dem durch sie hindurchgehenden Strom. Der so in den Strom eingeführte Sauerstoff wird sich mit den Gasen in dem fließenden Strom vermischen. Das Gemisch wird dann in einer katalytischen Verbrennungseinrichtung 12, dem zweiten Teil der Anordnung, verbrannt. Der Ausstoß der katalytischen Verbrennungseinrichtung 12 wird ein Gemisch von Kohlendioxid, Wasserdampf, Sauerstoff und gegebenenfalls etwas unverbrannten verbrennbaren Gasen sein. Diese Ausstoßgase werden dann durch den dritten Teil der Anordnung, einen Zirkonoxid- Sauerstoffmeßfühler 14, geführt. Der Bezugssauerstoff für den Meßfühler 14 wird entweder aus der Atmosphäre oder von einer festen dichtverschlossenen Sauerstoffquelle 16 zugeführt. Der Spannungsausgang 18 des Sauerstoffmeßfühlers 14 nimmt plötzlich stark zu, wenn man von der Bedingung, wo etwas Sauerstoff in dem Abfühlvolumen ist, zu der Bedingung, wo der gesamte Sauerstoff aus der Probe entfernt wurde, geht. Der Punkt, wo dies auftritt, ist unabhängig von dem Bezugsdruck, es sei denn, daß der Bezugsdruck sehr niedrig ist (siehe die obenerwähnte Literaturstelle von Heyne auf Seite 84). So ist die Sauerstoffquelle nicht kritisch in der Genauigkeit der Steuerung, wenn das System bei stöchiometrischen Gemischen arbeitet. Die Sauerstoffpumpe oder Brennstoffzelle 10, die katalytische Konverter- oder Verbrennungseinrichtung 12 und der Sauerstoffmeßfühler 14 arbeiten im Bereich von 600 bis 700 ºC. Die feste Sauerstoffquelle 16 könnte durch das gleiche Erhitzersystem arbeiten, das die Temperatur der anderen Teile des Systems steuert. Die Sauerstoffquelle für die Sauerstoffpumpe 10, den ersten Teil der Anordnung, wird gleichermaßen typischerweise entweder aus der Atmosphäre oder von der festen Quelle 16 zugeführt, wie in Fig. 2 gezeigt ist (siehe die Literaturstelle von Speidel et al). Der Spannungsausgang 18 des Sauerstoffmeßfühlers 14 wird verwendet, um den Strom 20 zu steuern, der der Sauerstoffpumpe 10 zugeführt wird.
Ein Rückkoppelungsstromkreis 22 vergleicht den Abgabewert des Sauerstoffmeßfühlers 14 mit einem Sollwert und erhöht oder erniedrigt den Strom 20 entsprechend. Dies bewirkt, daß sich die gepumpte Sauerstoffmenge verändert, wenn sich der Strom verändert. Die Steuerschleife arbeitet entweder mit einem stöchiometrischen Gemisch oder einem solchen, welches etwas sauerstoffreich ist, und erhöht oder senkt den Sauerstoffstrom so, daß der durch den Meßfühler gemessene Sauerstoff konstant gehalten wird. Der Strom durch die Sauerstoffpumpe 10 ist ein Maß für den Sauerstoff, der für eine vollständige Verbrennung des durch die Meßfühleranordnung strömenden Gases erforderlich ist.
Der zur Steuerung der Sauerstoffpumpe 10 verwendete Strom steht quantitativ in Relation zu dem Sauerstoff, der für vollständige Verbrennung erforderlich ist. Dieser Strom wird in einen digitalen Wert umgewandelt und in einer Berechnung des Energiewertes verwendet, wobei man Konstanten aus dem Strömungsverhältnis und die in Fig. 1 aufgezeichneten Daten oder dergleichen verwendet.
Fig. 3 zeigt schematisch den elektronischen Rückkoppelungssteuerkreis 22 für das Energieflußmeßgerät mit Ausnahme der Erhitzersteuerung, um die Teile auf der erforderlichen Temperatur zu halten. Der Spannungsabgabewert 18 aus dem Sauerstoffmeßfühler 14 wird in einen digitalen Wert durch einen Analog-in-Digitalwandler (A/D) 24 umgewandelt. Der Digitalwert wird mit einem Sollwert durch eine Stromsteuereinheit 26 verglichen. Ein Abgabewert 28 der Stromsteuereinheit 26 betätigt einen Stromgenerator 30, der seinerseits einen Antriebsstrom 20 zu der Sauerstoffpumpe 10 führt. Der Stromgenerator 30 liegt vorzugsweise in der Form eines Digital-in-Analogwandlers (D/A) vor. Wenn das Sauerstoffsignal geringer als der Sollwert oder erwünschte Wert ist, wird der Stromgenerator 30 angewiesen, einen Abgabewert um eine kleine Menge zu erhöhen. Umgekehrt wird, wenn das Sauerstoffsignal über dem Sollwert liegt, der Stromgenerator 30 angewiesen, den Strom um eine kleine Menge zu senken. Diese Wirkung wiederholt sich kontinuierlich mit einem Zeitintervall zwischen den Aktionen und einer Veränderungsmenge, die beide zusammen ausgewählt werden, um die Steuerschleife stabil zu halten.
Die Spannungsnachgiebigkeit des Abgabewertes des Stromgenerators 30 ist auf ± 2,5 V beschränkt (siehe die obenerwähnte Literaturstelle von Heyne auf Seite 71), um den Meßfüh-1er zu schützen. Ein digitaler Abgabewert 29 der Stromsteuereinheit 26 wird auch für die Energieflußberechnung in einem Stromkreis 32 berechnet. Der Stromkreis 32 wie auch der andere Steuerkreis beruht vorzugsweise auf einem Mikroprozessor, wobei die Konstanten, die für seine Berechnungen erforderlich sind, in dem Mikroprozessorspeicher gespeichert werden. Der berechnete Abgabewert 34 des Rechnerkreises 32 ergibt die Energiemessung.
Die Meßanordnung 40 einschließlich der Sauerstoffpumpe 10, der katalytischen Verbrennungseinrichtung 12, des Sauertoffmeßfühlers 14, der festen Sauerstoffquelle 16 und des Erhitzers (nicht gezeigt) ist in einer Fließleitung 42, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, befestigt, um ein Maß des Gesamtenergieflusses in der Leitung einer Größe zu erhalten, die im Bereich von einigen Inches (2,5 cm) bis zu einem Durchmesser von 30 in (75 cm) oder größer liegen kann.
Die Befestigungsanordnung schließt eine Packung mit der Meßanordnung 40 ein, die auf der Innenwand der Leitung 42 mit Hilfe einer Gerüstanordnung befestigt ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Eine alternative Anwendung, die in Fig. 5 gezeigt ist, verwendet eine Strömungsprobennahmetechnik, bei der eine kleine Probe des Stromes über eine Probenleitung 44 aus der Primärstromleitung 42 und zu einem Energieflußmeßfühler 46, der ähnlich der Anordnung 40 ist, geführt wird. Der Gasstromabgabewert des Flußmeßfühlers wird zurück zu dem Primärfluß über eine Rückführleitung 48 abgegeben, so daß es keinen Nettodruckverlust in der Abfühlanordnung gibt. Isokinetische Probennahme ist bevorzugt, um die Genauigkeit des Strömungsverhältnisses zwischen der Probe und dem Hauptfluß aufrechtzuerhalten.
Eine andere Anordnung schließt eine Befestigung der Meßanordnung 40 in einer Sonde ein, die in die Strömungsleitung 42 eingesetzt wird. Eine einzelne Energieflußmeßanordnung kann in der Sonde befestigt und in der Leitung eingesetzt werden, oder es kann eine Gruppierung von Anordnungen 40 in der Sonde 50 befestigt werden, wie in Fig. 6 gezeigt ist, um quer zu einer Strömungsleitung 42 im Falle eines Flusses mit ungleichmäßigem Querschnitt zu messen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Energie in einem Heizgas, bei dem man

a) eine Realzeitprobe von dem Gesamtstrom des Gases abnimmt, wobei die Probe eine bekannte Anteilsmenge des Gesamtstrome ist und die gleiche Temperatur und den gleichen Druck wie der Gesamtstrom hat,

b) eine wirkliche Verbrennungssauerstoffmenge unter Verwendung einer Feststoffelektrolyt-Sauerstoffpumpe (10) erzeugt, welche durch einen Strom angetrieben wird, der proportional zu der wirklichen Sauerstoffmenge ist,

c) die Probe mit der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge unter Bildung eines Gemisches vermischt,

d) das Gemisch einer katalytischen Verbrennungseinrichtung (12) für vollständige Verbrennung der Probe unter Bildung eines Abgases mit einer wirklichen Abgassauerstoffmenge darin zuführt,

e) die wirkliche Abgassauerstoffmenge in dem Abgas mißt und

f) wenn die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa gleich einer ausgewählten Abgassauerstoffmenge, welche vollständige Verbrennung in der katalytischen Verbrennungseinrichtung (12) anzeigt, gleich ist, den Wert des Stromes, der die Sauerstoffpumpe (10) antreibt, zur Berechnung der Energie in dem Gas verwendet, und, wenn der wirkliche Abgassauerstoffwert nicht etwa gleich der ausgewählten Abgassauerstoffmenge ist, den Strom in der Stufe (b) verändert und die Stufen (c) bis (e) wiederholt, bis die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa gleich der ausgewählten Abgassauerstoffmenge ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ausgewählte Abgassauerstoffmenge eine ausgewählte Abgassauerstoffmenge in dem Abgas umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man die wirkliche Überschußsauerstoffmenge unter Verwendung eines Sauerstoffmeßfühlers (14) mißt, der mit der katalytischen Verbrennungseinrichtung (12) verbunden ist, und Kalibriersauerstoff der Pumpe (10) und dem Sauerstoffmeßfühler (14) zuführt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem man den Sauerstoff der Pumpe (10) und dem Meßfühler (14) aus einer festen Sauerstoffquelle (16) zuführt.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Feststoffelektrolyt- Sauerstoffpumpe eine Zirkonoxid-Sauerstoffpumpe (10) umfaßt.

6. Vorrichtung (40) zur Messung der Energie in einem Heizgas mit einer Feststoffelektrolyt-Sauerstoffpumpe (10) zur Aufnahme einer Probe des Gases und zur Erzeugung einer wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge, wenn die Pumpe (10) durch einen Stromwert angetrieben wird, welcher proportional zu der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge ist,

einer katalytischen Verbrennungseinrichtung (12), die mit der Pumpe (10) zur Aufnahme eines Gemisches der Probe plus der wirklichen Verbrennungssauerstoffmenge für eine Verbrennung der Probe unter Bildung eines Abgases mit einer wirklichen Abgassauerstoffmenge darin verbunden ist,

einem Sauerstoffmeßfühler (14), der mit der katalytischen Verbrennungseinrichtung (12) für ein Abfühlen der wirklichen Abgassauerstoffmenge in dem Abgas verbunden ist, und

einer Rückkopplungssteuereinheit (22), die zwischen dem Sauerstoffmeßfühler (14) und der Pumpe (10) für ein Abfühlen der wirklichen Abgassauerstoffmenge in dem Abgas und zur Erzeugung des Stromwertes auf der Basis der abgefühlten wirklichen Abgassauerstoffmenge zwischengeschaltet ist, wobei die Steuereinheit (22) so arbeitet, daß sie die wirkliche Abgassauerstoffmenge mit einer ausgewählten Abgassauerstoffmenge vergleicht, die vollständige Verbrennung in der Verbrennungseinrichtung (12) anzeigt, und den Stromwert derart einstellt, daß die wirkliche Abgassauerstoffmenge etwa der ausgewählten Abgassauerstoffmenge gleicht, und wobei die Steuereinheit (22) Rechnereinrichtungen (32) zur Berechnung der Energiemenge in dem Heizgas als eine Funktion des wirklichen Stromwertes, der der Pumpe (10) zugeführt wird, einschließt.

7. Vorrichtung (40) nach Anspruch 6, bei der die Pumpe eine Zirkonoxidpumpe (10) umfaßt.

8. Vorrichtung (40) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7 mit einer festen Sauerstoffquelle (16), die mit der Pumpe (10) und dem Sauerstoffmeßfühler (14) verbunden ist, um Kalibriersauerstoff der Pumpe (10) und dem Meßfühler (14) zuzuführen.

9. Vorrichtung (40) nach Anspruch 6, Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei der der Sauerstoffmeßfühler (14) so arbeitet, daß er ein Analogsignal erzeugt, welches proportional der wirklichen Sauerstoffmenge in dem Abgas ist, wobei die Steuereinheit (22) einen A/D-Wandler (24), der mit dem Sauerstoffmeßfühler (14) zur Erzeugung eines digitalen Signals verbunden ist, Stromsteuereinrichtungen (26), die mit dem A/D-Wandler (24) zur Erzeugung digitaler Stromsignale, die proportional zu der Sauerstoffmenge sind, verbunden sind, einen D/A-Stromgenerator (30), der mit den Stromsteuereinrichtungen (26) zur Erzeugung des wirklichen Stromes für die Zufuhr zu der Sauerstoffpumpe (10) verbunden ist, und Rechnereinrichtungen (32), die mit den Stromsteuereinrichtungen (26) zur Berechnung eines Energiesignals, welches eine Messung der Energie in dem Gas repräsentiert, verbunden ist, wobei das Energiesignal als eine Funktion des digitalen Signals aus den Stromsteuereinrichtungen (26) berechnet wird, einschließt.