DE69109009T2 - Durchflussmesser mit Korrektur in Abhängigkeit von der Flüssigkeitszusammensetzung und Temperatur. - Google Patents

Durchflussmesser mit Korrektur in Abhängigkeit von der Flüssigkeitszusammensetzung und Temperatur.

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Description

    Querverweis auf verwandte Anmeldung
  • Bezug wird genommen auf die mitanhängige angenommene Anmeldung mit der Serien-Nr. 07/285 897, mit der Veröffentlichungs-Nr. US-A-4 961 348, angemeldet am 16. Dezember 1988 und dem gleichen Anmelder wie in der vorliegenden Anmeldung zugeordnet.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Fluid-Durchflußmessung und insbesondere ist sie gerichtet auf die Vermeidung von Ungenauigkeiten bei der Durchflußmessung. Die Erfindung gibt ein Verfahren zum Eliminieren von Fehlern in Massen- und volumetrischen (und Energie) -Fließgeschwindigkeiten vor, die primär in gasförmigen Fluiden im Hinblick auf Temperaturänderungen in den gasförmigen Fluiden gemessen werden.
  • Durchflußsensoren, die ein Paar von Dünnfilm-Heizsensoren und einen Dünnfilmheizer verwenden, sind bekannt. Ein Beispiel einer solchen Einrichtung ist in dem US-Patent 4 501 144 für Higashi et al. dargestellt und beschrieben. Die Dünnfilm-Heizsensoren können in einer Wheatstone-Brücke angeordnet werden, so daß der Ausgang der Brücke den Durchfluß repräsentiert. Diese Mikroanemometer oder "Mikrobrücken" werden mit ähnlichen Techniken hergestellt wie jene für die Erzeugung integrierter Schaltkreise und sind daher sehr billig.
  • Wie hier in näheren Einzelheiten beschrieben wird, sind solche Mikroanemometer bzw. Mikrobrücken in der Lage, ganz genau den Durchfluß zu erfassen, wenn sie direkt einem Strom des Fluides ausgesetzt sind, das an ihnen vorbeifließt. Auf diese Weise kann ein solcher Sensor verwendet werden, um direkt die Fließgeschwindigkeit des Fluides zu messen.
  • Während ein solches Sensorsystem verwendet werden kann, um ungefähr den Massenfluß zu messen, wird ein beträchtlicher Fehlerpegel im Hinblick auf Änderungen in der Zusammensetzung des gemessenen Fluides in Einrichtungen angetroffen, die zuvor dieses System verwendet haben. Die angenommene Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/285 897 (Veröffentlichungs-Nr. US-A-4 961 348) mit dem Titel "Flow Meter Fluid Composition Correction", die dem gleichen Anmelder wie in der vorliegenden Anmeldung zugeordnet ist, beschreibt in Einzelheiten ein Verfahren zur Korrektur der gasförmigen Fluid- Durchflußmessung bei Änderungen in der Zusammensetzung. Die Anwendung der Zusammensetzungkorrektur, wie sie in der Anmeldung mit der Serien-Nr. 07/285 897 (Veröffentlichungs-Nr. US-A-4 961 348) vorgesehen ist, liefert allgemein Durchflußmessungen mit einer Genauigkeit innerhalb 10 Prozent. Während diese Genauigkeit für viele nicht-präzise Anwendungen ausreichend ist, verbleiben viele Präzisionsanwendungen, die eine größere Genauigkeit erfordern. Eine weitere Nachforschung hat zu der Aufdeckung des Algorithmus der vorliegenden Erfindung geführt. Die Nachforschung zeigte, daß nach Anwendung der Zusammensetzungskorrektur noch ein Fehler aufgrund der Temperaturdifferenz des gasförmigen Fluides in Bezug auf die Temperatur des Kalibrierfluides verblieb.
  • Zum Zwecke der Veranschaulichung wurden Fehler aufgrund der Temperatur von ungefähr 0,2 % pro ºC beobachtet, wenn die Temperatur des gasförmigen Fluides ungefähr + 10º von der Kalibriertemperatur von 23º C abwich. Dieser Fehler von ungefähr 5 % für eine Temperaturdifferenz von 10º ist für viele Anwendungen bei der Präzisions-Gasdurchflußmessung nicht annehmbar. Daher besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur korrekten Gas-Durchflußmessung bei Temperaturabweichungen des fließenden Gases von der Temperatur des Kalibriergases.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Bedürfnisse und Probleme auf dem Gebiet der Heißelement (Draht oder Film)-Gas-Durchflußmessungen durch Vorgabe eines Verfahrens, welches verwendet werden kann, um den gemessenen Durchfluß sowohl bezüglich Änderungen in der Zusammensetzung des Gases und der Temperatur des Gases, bezogen auf die Zusammensetzung und die Temperatur des Kalibriergases, zu korrigieren.
  • Die Erfindung umfaßt eine Gleichung für die Feststellung einer Meßkorrektur (CG), die an einen gemessenen Meßausgang (G) der Mikrobrücke (MB) angelegt wird und eine Gleichung für die Feststellung einer volumetrischen Durchflußkorrektur (CV), die an den gemessenen volumetrischen Durchfluß (V) angelegt wird.
  • V = V (G) (1)
  • Die Korrekturen CG und CV werden festgelegt unter Verwendung bevorzugter Gleichungen in der Form:
  • CG = (ke/k/co)n1(cpe/cpco)n2(Te/Tc)n3 (2)
  • CV - (ke/k//co)n4(cpe/cpco)n5(Te/Tc)n6 (3)
  • wobei:
  • ke = thermische Leitfähigkeit des gemessenen Gases bei der Umgebungs- oder Kalibriertemperatur und dem entsprechenden Druck
  • kco = thermische Leitfähigkeit des Kalibriergases bei der Kalibriertemperatur und dem entsprechenden Druck
  • cpe = spezifische Wärme des gemessenen Gases bei der Umgebungs- bzw. Kalibriertemperatur und dem entsprechenden Druck
  • cpco = spezifische Wärme des Kalibriergases bei der Kalibriertemperatur und dem entsprechenden Druck
  • Te = absolute Temperatur des gemessenen Gases
  • Tc = absolute Temperatur des Kalibriergases
  • n&sub1; bis n&sub6; Konstanten sind, die während eines Kalibrierverfahrens festgelegt werden.
  • Während der Einfluß des Druckes auf k und cp in den meisten Fällen unbedeutend ist, erfahren Anwendungen unter Verwendung eines hohen Druckes, das heißt von über 100 psi (oder über 7 Atmosphären), solche Beeinflussungen und erfordern die volle Anwendung der Gleichungen (2) und (3) (1 psi = 6,89476 x 10&supmin;³ MPa).
  • Nachdem die Konstanten n&sub1; bis n&sub6; in dem Kalibrierverfahren festgelegt worden sind, kann die Gleichung für CG und CV verwendet werden,um das geeignete CG und CV für eine Gas-Durchflußmessung festzulegen, wenn das Gas eine thermische Leitfähigkeit ke, eine spezifische Wärme cpe und eine Temperatur Te besitzt.
  • Die Verwendung der CG und CV - Korrektur wird im folgenden erläutert. Ein gemessener volumetrischer Durchfluß V wird wie folgt festgelegt:
  • V = f(Gc) (1)
  • wobei
  • G = Mikrobrückenausgang oder Meßsignal und
  • Gc - G/CG
  • f(Gc) = Polynomfunktion von Gc.
  • Der gemessene volumetrische Durchfluß wird sodann in einen korrigierten volumetrischen Durchfluß (Vc) korrigiert gemäß:
  • Vc = V/CV
  • Diei vorliegende Erfindung umfaßt die Schritte eines Kalibrierverfahrens und eines Anwenderverfahrens. Das Kalibrierverfahren beginnt durch experimentelle Festlegung der Mikrobrücken-Ausgangswerte für bekannte volumetrische Durchflüsse, für verschiedene Gase bei verschiedenen Temperaturen. Solche Daten können grafisch als Kalibrierkurven V = f(G) repräsentiert werden.
  • Jede Kalibrierkurve wird sodann mit einer Kurve verglichen, die speziell als Referenz-Kalibrierkurve ausgewählt wurde. Korrekturfaktoren CG für das Mikrobrücken-Meßausgangssignal und Korrekturfaktoren CV für die volumetrischen Durchflüsse werden experimentell in einer solchen Weise festgelegt, daß die beste Anpassung zwischen der Referenz-Kalibrierkurve und allen anderen Kurven erzielt wird.
  • Werte der thermischen Leitfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Temperatur für jedes der Gase bei jeder der Temperaturen werden entweder theoretisch aus bekannten thermodynamischen Daten festgelegt oder gemessen. Diese Werte werden in bezug auf den Referenzzustand normiert.
  • Um den Kalibrierprozeß zu vervollständigen, wird sodann der Algorithmus der vorliegenden Erfindung hergeleitet, um die experimentell festgelegten Korrekturfaktoren CG und CV zu den normierten Werten von k, cp und T in Beziehung zu setzen. Ein Algorithmus ist sodann für einen Anwender zur Verwendung verfügbar, um eine Gas-Durchflußmessung hinsichtlich Änderungen in der Zusammensetzung und der Temperatur zu korrigieren.
  • Im typischen Anwendungsprozeß wird eine Gas-Durchflußmessung durchgeführt. Ein gemessenes Mikrobrücken-Ausgangssignal G wird erhalten. Unter Verwendung der thermischen Leitfähigkeit, der spezifischen Wärme und der Temperatur, die ebenfalls mit der Mikrobrücke während der Gas- Durchflußmessung erhalten werden und mit der Formel der Erfindung, wird ein Meß-Korrekturfaktor CG festgelegt. Ein korrigierter Meß-Ausgangswert Gc wird festgelegt durch Teilung des gemessenen Meßausganges G, durch den Korrekturfaktor CG.
  • Der korrigierte Meßausgang Gc wird sodann in einer Gleichung verwendet, die den Gas-Durchfluß V berechnet. Diese Gleichung besitzt die Form:
  • V = a0 + a1Gm1 +a2Gm2 + a3Gm3 ... = V(G) (1)
  • wobei mi und ai = Konstanten, die die Referenz-Kalibrierkurve repräsentieren.
  • Nachdem der gemessene volumetrische Fluß V festgestellt ist, muß dieser durch einen Korrekturfaktor CV korrigiert werden.
  • CV wird festgestellt durch Verwendung des Algorithmus der Erfindung. Der korrigierte volumetrische Fluß Vc wird sodann festgestellt, indem V durch CV dividiert wird.
    • Beschreibung der Zeichnungen
  • Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Kompensation der Zusammensetzung und Temperatur bei Gas-Durchflußmessungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Figur 2 ist ein Diagramm der Mikrobrücken-Ausgangssignale in Abhängigkeit des volumetrischen Durchflusses für Gas-Durchflußmessungen unter Verwendung von Methan bei Temperaturen von 9,2º C, 23º C und 35,3º C.
  • Figur 3 ist ein Diagramm des Fehlers in Prozent einer Mikrobrücken- Durchflußmessung über dem volumetrischen Durchfluß, wenn die Korrekturfaktoren der vorliegenden Erfindung nicht benutzt werden. Das Gas ist Methan bei Temperaturen von 9,2º C, 23º C und 35,3º C.
  • Figur 4 ist ein Diagramm des Mikrobrücken-Durchfluß-Meßfehlers in Abhängigkeit von dem volumetrischen Fluß, nachdem die Korrekturen der vorliegenden Erfindung angewendet worden sind. Das Gas ist Methan bei Temperaturen von 9,2º C, 23º C und 35,3º C.
  • Figur 5 ist ein Diagramm des Mikrobrücken-Durchfluß-Meßfehlers in Prozent in Abhängigkeit von dem volumetrischen Fluß, wobei die Korrekturen der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Die Gase sind Äthan bei 9,2º C und 34,8º C und Stickstoff bei 9,4º C und 35,2º C.
  • Figur 6 ist ein Diagramm des Mikrobrücken-Durchfluß-Meßfehlers, lediglich in Prozent, in Abhängigkeit von dem volumetrischen Fluß für Methan bei 23º C, Äthan bei 22,5º C und Stickstoff bei 21,9º C.
  • Figur 7 ist ein Diagramm für den Mikrobrücken-Durchfluß-Meßfehler in Prozent in Abhängigkeit von dem Massenfluß für Methan bei 9,2º C, 23º C und 35,3º C, Äthan bei 22,5º C und Stickstoff bei 21,9º C.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Figur 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung des Anmelders für ein Verfahren der Temperaturkompensation bei Mikrobrücken-Durchflußsensoren. Das System ist als ein Röhrenabschnitt, Gasrohr, Leitung oder eine ähnliche Einrichtung 12 dargestellt, durch welche ein interessierendes gasförmiges Fluid 14 hindurchfließt.
  • Ein Mikrobrücken- oder Mikroanemometer-Sensorpaket zur Erfassung des Durchflusses durch das System ist allgemein an dem dynamischen Durchflußort 16 dargestellt. Es umfaßt einen individuellen Mikrobrückensensor für die dynamische Erfassung des Fluid-Durchflusses. Halbleiterchip-Sensoren oder Mikrobrücken der beschriebenen Art werden in einer detaillierten Weise in einem oder mehreren der folgenden Patente 4 478 076, 4 478 077, 4 501 144, 4 555 939, 4 651 564 und 4 683 159 beschrieben, die alle den gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung aufweisen. Bis zu dem erforderlichen Ausmaß werden zusätzliche Einzelheiten im Hinblick auf die Mikrobrückensensoren durch Bezugnahme auf diese erwähnten Dokumente eingeschlossen.
  • Mikrobrückensensoren erfordern typischerweise einen Heizleistungs- Steuerschaltkreis, wie er durch den Block 30 angegeben ist. Zusätzlich sind Schaltkreise erforderlich für die Überwachung der Widerstandsdifferenz eines Widerstandes (Rd), der stromabwärts der geheizten Elemente angeordnet ist und eines Widerstandes (Ro), der stromaufwärts von den geheizten Elementen angeordnet ist, wie dies im Block 30 angedeutet ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Widerstands-Temperatur- Sensorelement R zum Zwecke der Temperaturmessung Tg des Gases erforderlich. Der Widerstand R ist in Figur 1 an dem dynamischen Durchflußort 16 angeordnet. Der Widerstand R ist ein Widerstandselement, das auf dem Mikrobrückenchip angeordnet sein kann.
  • Gemäß der erwähnten US-A 4 961 348 ist ein zweiter Mikrobrückenort, der als statischer Mikrobrückenort bezeichnet wird, bei 20 dargestellt. Das Verfahren zur Bestimmung der Zusammensetzungskorrektur, basierend auf der thermischen Leitfähigkeit k und der spezifischen Wärme cp, wie es in dem Block 32 von Figur 1 angegeben ist, ist in der angenommenen Anmeldung offenbart. Ein alternativer Ort für den Widerstand R ist an dem statischen Ort 20 gegeben.
  • Figur 1 veranschaulicht, daß Information von dem Block 32, bezüglich der Zusammensetzungskorrektur und Information von dem Block 30, umfassend die Information über die Gastemperatur an den Block 34 gegeben wird. Nach Berechnungen bezüglich des Durchflusses und der Zusammensetzungs- und Temperaturkorrekturen wird der Durchfluß bei Standardtemperatur und Druck angezeigt, wie dies in Block 36 angegeben ist.
  • Figur 2 ist ein Diagramm des gemessenen Mikrobrückenausganges bzw. der Messung G über dem Standard-Volumendurchfluß von Methan bei Temperaturen von 9,2º C, 23º C und 35,3º C. Idealerweise sollten die Diagramme für die drei Temperaturen identisch sein. Tatsächlich ist der Fehler aufgrund der Temperatur so klein, daß er nicht leicht aus Figur 2 hervorgeht. Wenn jedoch nur der Fehler in Figur 3 aufgetragen wird, so ist erkennbar, daß der Fehler der Messung bei 9,3º C und der Messung bei 35,2º C in bezug auf die Messung bei 23º C beträchtlich größer als + 1 % ist.
  • Die Erfindung lehrt ein Verfahren zur Korrektur des Einflusses von Temperaturdifferenzen zwischen dem Kalibriergas zum Zeitpunkt der Kalibrierung und dem Testgas zum Zeitpunkt der Benutzung der Einrichtung durch die folgende Gesamt-Kompensationsgleichung.
  • Vc = V(G/CG) x (1/CV) (1a)
  • Wobei
  • V = volumetrische Durchflußgeschwindigkeit als Funktion von G oder G/CG
  • G = Mikrobrücken-Ausgang Rd - Ru oder Meßsignal
  • CG = Korrektur des Meß-Ausgangssignales
  • CV = Korrektur des gemessenen volumetrischen Flusses
  • Gleichung 1a korrigiert den Einfluß der Temperaturfehler durch Hervorrufung einer y-Achsenverschiebung der Kalibrierkurve mit dem CG-Korrekturfaktor und des Einflusses der Temperatur durch Hervorrufung einer x-Achsenverschiebung der Kalibrierkurve mit dem CV-Korrekturfaktor.
  • Eine bevorzugte vollständige Temperaturkorrektur besitzt die folgende Form:
  • CG = (ke/kco)n1(cpe/cpco)n2(Te/Tc)n3 (2)
  • CV = (ke/kco)n4(cpe/cpco)n5(Te/Tc)n6 (3)
  • wobei:
  • n&sub1; bis n&sub6; = Konstanten, festgelegt durch das Kalibrierverfahren
  • Index e = während des Experimentes oder Tests
  • Index c = während der Kalibrierung
  • Index o = für das Kalibriergas (allgemein Luft oder Methan)
  • k = thermische Leitfähigkeit gemessen durch die Zusammensetzungskorrektur MB
  • cp = entweder spezifische Wärme in druckunabhängigen Einheiten von z.B. cal/(mol C) oder ihre Temperaturableitung, ebenfalls druckunabhängig
  • T = absolute Temperatur
  • Es versteht sich, daß andere, allgemeinere Gleichungen verwendet werden können, um die Physik der Mikrobrücken-Sensorstruktur zu berücksichtigen. Insbesondere können die thermische Leitfähigkeit und die spezifische Wärme nicht nur des Gases, sondern auch von festen Substanzen des Sensors berücksichtigt werden. Andere, allgemeinere Formen der Gleichung 2 sind unten angegeben:
  • wobei die Konstanten Ai, Bi und mi während des Kalibrierverfahrens bestimmt werden und die thermische Leitfähigkeit und spezifische Wärme von anderen Substanzen als Gas zu berücksichtigen gestatten. Allgemeine Formen der Gleichung 3 sind unten angegeben:
  • wobei die Konstanten Ci, Di, qi und ri während des Kalibrierverfahrens bestimmt werden und die Berücksichtigung der thermischen Leitfähigkeit und der spezifischen Wärme von anderen Substanzen als Gas gestatten und andere Wärme-Übertragsprozesse wie beispielsweise radioaktive Prozesse ermöglichen.
  • Die Verwirklichung der Korrektur, wie sie durch die vorliegende Erfindung vorgegeben wird, sei nunmehr erläutert.
  • Für Veranschaulichungszwecke werden wir Methan, Äthan und Stickstoff als die interessierenden Gase und Mikrobrücken-Kalibrierdaten bei ungefähr 5º C, 23º C und 35º C verwenden. Es versteht sich, daß dieses nur bloße Beispiele sind, und die Erfindung auf andere Gase und Kalibrierdaten bei anderen Temperaturen anwendbar ist.
  • Es versteht sich ferner, daß während diese Erfindung im Hinblick auf volumetrische Gas-Durchflußmessungen beschrieben wird, sie ebenfalls anwendbar ist auf Massen-Durchflußmessungen oder Energie- Durchflußmessungen. Für Massen-Durchflußmessungen wird der nicht-korrigierte Massenfluß mit M bezeichnet und der korrigierte Massenfluß mit Mc bezeichnet. Für Energie-Durchflußmessungen wird der nicht-korrigierte Energiefluß mit E bezeichnet und der korrigierte Energiefluß mit Ec bezeichnet. Für Massen- Durchfluß- und Energie-Durchflußmessungen bleibt die Meßkorrektur (CG) die gleiche, aber die Massenkorrektur wird mit CM bezeichnet und die Energiekorrektur wird mit CE bezeichnet.
    • Kalibrierprozeß
  • Dieser Prozeß umfaßt die folgenden Schritte:
  • 1) Bestimmung der Mikrobrücken-Kalibrierkurven für verschiedene interessierende Gase bei verschiedenen Temperaturen. Die Gleichungen (2) und (3) für CG und CV erfordern jeweils die Festlegung von drei unbekannten Exponenten. Daher müssen wenigstens drei Kalibrierkurven bestimmt werden. Die Mikrobrücken-Kalibrierkurve ist ein Diagramm von Mikrobrücken-Ausgangswerten über Standard-Volumendurchflüssen.
  • 2) Auswahl eines Gases, zum Beispiel Methan, bei 23º C als Referenz und Betriebszustand und Anpassung der bestmöglichen Kalibrierkurve an die Mikrobrücken-Ausgangswerte. Dies gibt eine Referenz-Kalibrierkurve V(G) für Methan bei 23º C vor.
  • 3) Bestimmung der Korrekturfaktoren CG und CV für andere Temperaturen von Methan und für andere Gase bei anderen Temperaturen. Dies wird verwirklicht durch Vergleich der anderen Kalibrierkurven mit der Referenz- Kalibrierkurve und Bestimmung des Meß-Korrekturfaktors CG, der erforderlich ist, um die notwendige y-Achsenverschiebung hervorzurufen und des volumetrischen Korrekturfaktors CV, der erforderlich ist, um die notwendige x-Achsenverschiebung hervorzurufen und um den anderen Kalibrierkurven die Übereinstimmung mit der ausgewählten Referenzkurve, d.h. mit der Methan-Kalibrierkurve bei 23º C zu gestatten. Die Festlegung kann durch visuellen Vergleich der Kalibrierkurven erfolgen oder durch Verwendung bekannter Datenverarbeitungstechniken.
  • 4) Berechnung der Werte von k/k&sub0;, Cp/Cpo und T/T&sub0; für die anderen Gase und anderen Temperaturen aus thermodynamischen Referenzdaten oder aus gemessenen Daten.
  • 5) Verwendung der experimentell festgelegten Werte von CG und CV für andere Gase und Temperaturen und der normierten, errechneten Werte k, cp und T und Auflösung nach den festen Werten für n&sub1; bis n&sub6; in den Gleichungen (2) und (3).
  • Die Gleichungen (2) und (3) können sodann verwendet werden mit den festgelegten Werten n&sub1; bis n&sub6;, um CG und CV für jedes Gas bei jeder Temperatur zu bestimmen.
  • Tabelle 1 zeigt ausgewählte repräsentative Werte, die für Methan, Äthan und Stickstoff erhalten werden, wenn der beschriebene Kalibrierprozeß verwendet wurde.
  • Figur 4 zeigt die Ergebnisse der Anwendung der Temperaturkorrektur der vorliegenden Erfindung auf Methan-Durchflußmessungen bei Gastemperaturen von 9,2º C, 23º C und 35,3º C. Eine sehr signifikante Verbesserung gegenüber Figur 3 wird vermerkt, wobei der Fehler bei einem Fluß oberhalb von 30 Litern pro Stunde L/h innerhalb ungefähr ± 1 % liegt.
  • Figur 5 veranschaulicht die Anwendbarkeit der Erfindung des Anmelders auf Gase, die sich beträchtlich von Methan unterscheiden, wie beispielsweise Äthan und Stickstoff.
  • Der Anmelder hat ein Verfahren entdeckt für die Korrektur der Zusammensetzung und der Temperatur eines Gases, um eine korrigierte volumetrische Gas- Durchflußmessung zu erzielen.
  • Es liegt den Fachleuten auf der Hand, daß diese gleiche Methode, die verwendet wird, um volumetrische Durchflußkorrekturen zu erzielen, verwendet werden kann, um Massen-Durchflußkorrekturen zu erzielen; es wurde gefunden, daß die Werte von n&sub4;, n&sub5; und n&sub6; eine Justierung erfordern, während die Werte n&sub1;-n&sub3; keine Justierung erforderten.
  • Figur 7 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung des Anmelders auf Massen-Durchflußmessungen von Methan, Äthan und Stickstoff. Es sei vermerkt, daß bei Fließgeschwindigkeiten oberhalb 100 g/h der Fehler im allgemeinen kleiner als ± 1 % ist.
  • Es sei ferner für die Fachleute vermerkt, daß die gleiche Methode, die verwendet wird, um volumetrische Flußkorrekturen zu erzielen, verwendet werden kann, um Energiefluß-Korrekturen für bestimmte Gruppen von ähnlichen brennbaren Fluiden zu erzielen.
  • Gemäß der vorstehenden Beschreibung hat der Anmelder ein Korrekturverfahren für die Gaszusammensetzung und die Gastemperatur entwickelt, das sehr genaue Gas-Durchflußmessungen ergibt. Die Erfindung des Anmelders ist anwendbar auf volumetrische Durchflußmessungen, Massen-Durchflußmessungen oder Energie- Durchflußmessungen. Die Erfindung des Anmelders wurde bewerkstelligt durch das Erkennen und die Lösung eines lange bestehenden Problemes bei Gas- Durchflußmessungen. Die Erfindung des Anmelders kann leicht in jenen Anwendungen von Gas-Durchflußmessungen eingesetzt werden, die eine genaue Meßung erfordern. Tabelle 1 Gas Temperatur (Methan) (Äthan) (Stickstoff)

Claims (20)

1. Verfahren zur Kompensation der volumetrischen Durchflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:
(A) Ermittlung eines nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken-Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (Gc) zu erhalten, wobei (Gc) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) Ermittlung eines nicht-korrigierten volumetrischen Durchflußwertes (V) für das interessierende Fluid in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (CG);
(E) Anwendung eines volumetrischen Korrekturfaktors (CV) auf den Durchflußwert (V), um den korrigierten volumetrischen Durchflußwert (VC) zu erhalten, wobei CV gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Meß- Korrekturfaktor aus einer der folgenden Beziehungen ermittelt wird:
und der volumetrische Korrekturfaktor (CV) gemäß einer der folgenden Beziehüngen ermittelt wird:
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, Ci, Di, qi und ri = durch den Kalibrierprozeß festgelegte Kontanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfhhigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß-Korrekturfaktor bestimmt wird gemäß der Beziehung:
CG = (ke/kco)n1(cpe/cpco)n2(Te/Tc)n3
und der volumetrische Korrekturfaktor CV bestimmt wird gemäß der Beziehung:
CV = (ko/koc)n4(cpe/cpco)n5(Te/Tc)n6
und n&sub1; bis n&sub6; ungefahr entsprechen:
-0.015331
-0.060124
0.387617
-0.85033
0.9845898
0.027236
4. Verfahren zur Kompensation der Massenflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:
(A) Ermittlung eines nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken-Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (GC) zu erhalten, wobei (GC) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) Ermittlung eines nicht-korrigierten Massenflußwertes (M) für das interessierende Fluid in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (CG);
(E) Anwendung eines Massenkorrekturfaktors (CM) auf den Massentluß um den korrigierten Massenflußwert (MC) zu erhalten, wobei CM gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der themischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß- Korrekturfaktor aus einer der folgenden Beziehungen ermittelt wird:
und der Massenkorrekturfaktor (CM) gemäß einer der folgenden Beziehungen ermittelt wird:
{Te/Tc}n6
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, ci, Di, qi, und ri = durch den Kalibrierprozeß festgelegte Konstanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
6. Verfahren zur Kompensation der Energieflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:
(A) Ermittlung eines nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken-Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (GC) zu erhalten, wobei (GC) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) Ermittlung eines nicht-korrigierten Energieflußwertes (E) für das interessierende Fluid in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (CG);
(E) Anwendung eines Energie-Korrekturfaktors (CE) auf den Durchflußwert, um den korrigierten Energieflußwert (EC) zu erhalten, wobei (CE) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, däß der Meß- Korrekturfaktor aus einer der folgenden Beziehungen ermittelt wird:
CG = (ke/kco)n1(cpe/cpco)n2(Te/Tc)n3
und der Energie-Korrekturfaktor (CE) gemäß einer der folgenden Beziehungen ermittelt wird:
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, ci, Di, qi, und ri = durch den Kalibrierprozeß festgelegte Konstanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
8. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß cpe, ke und Te durch eine zweite Mikrobrücke in relativ statischem Austausch mit dem interessierenden Fluid ermittelt werden.
9. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der im Schritt (C) festgestellte Wert (CG) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Variablen ermittelt wird, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus der spezifischen Wärme (cpe), aus dem Temperaturdifferential der spezifischen Wärme (dcpe/dT), der thermischen Leitfähigkeit (ke), dem Temperaturdifferential der thermischen Leitfähigkeit (dke/dT), der Dichte, der Viskosität, der Schallgeschwindigkeit, der optischen Absorption oder dem Zerstreuungsvermögegn besteht.
10. Verfahren nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (C) der Bestimmung von (CG) unterdrückt wird und (CG) auf den Wert 1 gesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Kompensation der Durchflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei die Vorrichtung durch einen Betrieb gemäß dem Verfahren irgendeines vorangehenden Anspruches gekennzeichnet ist.
12. Vorrichtung zur Kompensation der volumetrischen Durchflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:
(A) eine Einrichtung zur Ermittlung des nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken- Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) eine Einrichtung zur Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) eine Einrichtung zur Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (Gc) zu erhalten, wobei (Gc) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug äuf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten volumetrischen Durchflußwertes (V) für das interessierende Fluid in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (CG);
(E) eine Einrichtung zur Anwendung eines volumetrischen Korrekturfaktors (CV) auf den Durchflußwert (V), um den korrigierten volumetrischen Durchflußwert (VC) zu erhalten, wobei CV gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Meß-Korrekturfaktors gemäß einer der folgenden Beziehungen:
und des volumetrischen Korrekturfaktors (CV) gemäß einer der folgenden Beziehungen:
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, ci, Di, qi, und ri =durch den Kalibrierprozeß festgelegte Konstanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Meß-Korrekturfaktors gemäß der Beziehung:
CG = (ke/kco)n1(cpe/cpco)n2(Te/Tc)n3
und des volumetrischen Korrekturfaktors (CV) gemäß der folgenden Beziehung:
CV = (ke/kco)n4(cpe/cpco)n5(Te/Tc)n6
wobei n&sub1; bis n&sub6; ungefähr entsprechen:
-0.015331
-0,060124
0.387617
-0.85033
0.9845898
0.027236
15. Vorrichtung zur Kompensation der Massenflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch.
(A) eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken- Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) eine Einrichtung zur Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) eine Einrichtung zur Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (GC) zu erhalten, wobei (GC) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten Massenflußwertes (M) des interessierenden Fluids in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (CG);
(E) eine Einrichtung zur Anwendung eines Massen-Korrekturfaktors (CM) auf den Massenflußwert, um den korrigierten Massentlußwert (MC) zu erhalten, wobei MC gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Meßkorrekturfaktors aus einer der folgenden Beziehungen:
und des Massen-Korrekturfaktors (CM) gemäß einer der folgenden Beziehungen:
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, ci, Di, qi, und ri = durch den Kalibrierprozeß festgelegte Konstanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
17. Vorrichtung zur Kompensation der Energieflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung, des Druckes und der Temperatur des Fluids in einem Durchflußmesser mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Durchfluß ausgesetzt ist und ein auf den Durchfluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:
(A) eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten dynamischen Mikrobrücken- Sensorausganges (G) für das interessierende Fluid;
(B) eine Einrichtung zur Ermittlung der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids;
(C) eine Einrichtung zur Anwendung eines Meß-Korrekturfaktors (CG) auf den Sensorausgang (G), um einen korrigierten Sensorausgang (GC) zu erhalten, wobei der korrigierte Sensorausgang (GC) gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert auf ein Referenzgas ermittelt wird;
(D) eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten Energieflußwertes (E) für das interessierende Fluid in bezug auf den korrigierten Sensorausgang (GC);
(E) eine Einrichtung zur Anwendung eines Energie-Korrekturfaktors (CE) auf den Durchflußwert, um den korrigierten Energieflußwert (EC) zu erhalten, wobei CE gemäß einer bekannten Beziehung zwischen den Werten der spezifischen Wärme (cpe), der thermischen Leitfähigkeit (ke) und der Temperatur (Te) des interessierenden Fluids normiert in bezug auf das Referenzgas ermittelt wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung des Meß-Korrekturfaktors gemäß einer der folgenden Beziehungen:
und des Energie-Korrekturfaktors (CE) gemäß einer der folgeden Beziehungen:
wobei:
n&sub1; bis n&sub6;, Ai, Bi, mi, ci, Di, qi, und ri = durch den Kalibrierprozeß festgelegte Konstanten sind, und
kco, cpco und Tc = die thermische Leitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Temperatur des Kalibriergases sind.
19. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch eine zweite Mikrobrücke in relativ statischem Austausch mit dem interessierenden Fluid, um cpe, ke und Te festzustellen.
20. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anwendung des Wertes CG im Schritt (C) eine Einrichtung zur Bestimmung von CG gemäß einer bekannten Beziehung zwischen Variablen umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus der spezifischen Wärme (cpe), dem Temperaturdifferential der spezifischen Wärme (dcpe/dT), der thermischen Leitfähigkeit (ke), dem Temperaturdifferential der thermischen Leitfähigkeit (dke/dT), der Dichte, der Viskosität, der Schallgeschwindigkeit, der optischen Absorption oder dem Zerstreuungsvermögen besteht.
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