DE69222052T2

DE69222052T2 - Sensor für verschiedene gaseigenschaften

Info

Publication number: DE69222052T2
Application number: DE69222052T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bonne; David Kubisiak; Robert Matthys
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1992-10-22
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2012-10-23
Also published as: EP0609388B1; AU2933292A; WO1993008466A1; EP0609388A4; CA2121832A1; US5235844A; CA2121832C; EP0609388A1; DE69222052D1; ATE157772T1

Description

Hintergrund der Erfindung

Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Apparate und Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines Gases und insbesondere auf einen Umformer sowie ein zugehöriges Verfahren zum praktisch gleichzeitigen Bestimmen von Druck und einer anderen Eigenschaft (oder Eigenschaftskombination) eines mit sich änderndem Druck und sich ändernder Zusammensetzung strömenden Gases.

Beschreibung des Standes der Technik

Der Heizwert eines gasförmigen Stoffes ist von wesentlichem Interesse, weil er eine Basis für die Bestimmung des kommerziellen Wertes der Substanz als Brennstoff ist. Techniken zum Messen der Qualität von gasförmigen Brennstoffen werden in der Praxis für verschiedene Zwecke benutzt. Eine besondere neue Technik zum Bestimmen des Zeitwertes eines gasförmigen Brennstoffs ist in der parallelen US-Patentanmeldung "On-Line Combustionless Measurement and/or Regulation of Gaseous Fuels Fed to Gas Consumption Devices", Aktenzeichen 07/781,598 (W093/08457) beschrieben. Zusätzlich zum Bestimmen des Heizwertes eines gasförmigen Brennstoffs basierend auf Parametern wie Gasdichte, thermischer Leitfähigkeit, spezifischer Wärme, Molekulargewicht, Viskosität, usw. erfordert eine ordnungsgemäße Bestimmung des Heizwertes das gleichzeitige Messen von Druck und Temperatur, um die berechneten Werte auf Standardzustände zu korrigieren. Die meisten, wenn nicht alle bekannten Techniken zum Bestimmen solcher Gasparameter wie Druck und Temperatur, messen jede gewünschte Eigenschaft getrennt. Außerdem sind bekannte Meßeinrichtungen oft teuer und komplex, brauchen eine umfangreiche elektronische Stützausrüstung und bieten somit nur eine begrenzte Anwendungsmöglichkeit in komplexen Systemen, wo die Kosten weniger kritisch sind. Die Messung der Qualität von Brenngas ist weiter dadurch kompliziert, daß Verbrennungsgase und insbesondere natürliche Gase üblicherweise ohne Berücksichtigung ihres getrennten Ursprungs, ihrer Zusammensetzung und ihrer Eigenschaften verteilt werden, welche in größerem oder kleinerem Maße voneinander abweichen.
Als Beispiel des am nächstkommenden Standes der Technik ist es seit einiger Zeit bekannt, daß ein Schwingelement, wie ein Quarzkristall, seine Schwingfrequenz ändert, wenn der Druck des Gases, in welches er eintaucht, variiert (siehe z.B. US-Patent 4,644,803 und die dort genannten Druckschriften). Außerdem gibt es Beschreibungen in der Literatur über das Bestimmen der Gasdichte durch Frequenzverschiebung eines Oszillators, der einem Testgas ausgesetzt ist (siehe z.B. US-Patent 4,734,609). Abgesehen davon, daß sie bei sich änderndem Gasdruck, und/oder einer sich ändernden Gaszusammensetzung nicht arbeiten, bestimmen die meisten oder alle dieser bekannten Einrichtungen nur eine Gaseigenschaft, wie beispielsweise Dichte oder Druck.
Folglich hat eine nicht-komplizierte Lösung der gleichzeitigen Messung mehrerer Brenngaseigenschaften klare Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, insbesondere wenn sie in einer Heizwertmeßeinrichtung eingesetzt wird, wie derjenigen, die in der genannten Parallelanmeldung beschrieben ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Demzufolge ist es ein Hauptziel der Erfindung, einen Umformer sowie ein Verfahren vorzuschlagen, um mehrere Eigenschaften eines Gases mit sich änderndem Druck und sich ändernder Zusammensetzung zu bestimmen.
Ein weiterer Zweck der Erfindung liegt darin, einen Apparat und ein Verfahren zu schaffen, die mehrere Gaseigenschaften innerhalb des gleichen Meßzyklus bestimmen können.
Weiterhin sollen mit der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, die weniger komplex und weniger teuer in der Anwendung als bekannte Geräte zur Bestimmung von Gaseigenschaften sind.
Ferner soll mit der Erfindung ein Gerät und ein Verfahren entstehen, die leicht bei einem Wärmeinhaltsmeßgerät und einem entsprechenden Verfahren zum Einsatz kommen können.
Darüber hinaus hat die Erfindung das Ziel, ein Gerät und ein Verfahren zu schaffen, die im On-Line-Betrieb eingesetzt werden können.
Schließlich besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein solches Gerät und Verfahren zu schaffen, die den Gasdruck und die Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) praktisch gleichzeitig bestimmen können.
Diese und weitere Ziele der Erfindung werden nach einer Ausführungsform mit einem Umformer erreicht, welcher den Druck und wenigstens eine andere Gaseigenschaft oder Kombination von Eigenschaften eines Testgases bestimmt, dessen Druck, Dichte und Viskosität sich ändern. Das Gerät umfaßt einen innerhalb einer Kammer unter vorgegebenem Gasdruck und bei vorgegebener Gasdichte abgedichtet angeordneten Bezugsschwinger sowie einen Detektorschwinger, der dem den Umformer umgebenden Gas ausgesetzt ist. Die Frequenzen der Bezugs- und Detektoroszillatoren werden in einer ersten Vorrichtung verglichen, welche ein Ausgangsssignal proportional zur Frequenzdifferenz der Oszillatoren erzeugt. Die Reihenwiderstände von Referenz- und Detektorschwinger werden in einer zweiten Einrichtung verglichen, die in ähnlicher Weise ein Ausgangssignal erzeugt, welches der Differenz der Reihenwiderstände der beiden Schwinger proportional ist. Schließlich hat der Umformer eine Recheneinrichtung zum Ableiten von Signalen entsprechend dem Gasdruck des Testgases und einer anderen Gaseigenschaft basierend auf dem proportionalen Differenzfrequenzsignal und dem proportionalen Serienwiderstandssignal, die vom Referenz- und Detektorschwinger geliefert wurden. Bei einer speziellen Ausführungsform umfaßt das Testgas natürliches Gas, und das Gerät bestimmt gleichzeitig Druck und wenigstens eine andere Gaseigenschaft, die eine Kombination von Eigenschaften sein kann (Molekulargewicht x Viskosität).
Nach einem anderen Gesichtspunkt umfaßt die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zum Bestimmen von zwei Eigenschaften eines Testgases, welches unter sich änderndem Druck steht und eine sich ändernde Zusammensetzung hat. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Bereitstellen eines Referenzschwingers, der in einer Kammer unter vorgegebenem Gasdruck und bei vorgegebener Gasdichte abgedichtet angeordnet ist; Verwenden eines Detektorschwingers, der dem Testgas ausgesetzt ist; Versetzen des Bezugsschwingers und des Detektorschwingers in Schwingungen auf einer Resonanzfrequenz, wobei sich die Frequenz des Detektoroszillators bei Änderungen des Testgasdruckes und der Zusammensetzung verändert; Erzeugen von Signalen entsprechend den Schwingungsfrequenzen des Referenz- und des Detektoroszillators; Vergleichen der Frequenzen der entsprechenden Signale und Erzeugen eines Ausgangssignals, welches der Differenz der Frequenzen proportional ist; Bestimmen des Reihenwiderstandes des Referenzschwingers und des Reihenwiderstandes des Detektorschwingers; Vergleichen der Reihenwiderstände von Referenz- und Detektorschwinger und Erzeugen eines Ausgangssignals, welches der Differenz der Reihenwiderstände proportional ist; und Ableiten von Signalen, die für zwei Gaseigenschaften repräsentativ sind aus dem proportionalen Differenzfrequenzsignal und dem proportionalen Differenz- Reihenwiderstandssignal, wie sie von den Referenz- und Detektorschwingern erzeugt werden.
Ein weiteres Merkmal des Verfahrens umfaßt den praktisch gleichzeitigen Vergleich der Frequenzen und der Reihenwiderstände der Schwinger, um zwei Testgaseigenschaften innerhalb des gleichen Meßzyklus zu bestimmen. Wiederum werden bei einer typischen Anwendung unter dem Einsatz von Erdgas als Testgas als die beiden Eigenschaften Druck sowie die Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) bestimmt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Der Gegenstand der Erfindung ist am Schluß der Beschreibung speziell zum Ausdruck gebracht und abgegrenzt beansprucht. Die Erfindung kann jedoch sowohl hinsichtlich der Organisation und der praktischen Realisierung zusammen mit weiteren Merkmalen und Vorteilen am besten durch Bezugnahme auf die nachfolgende Einzelteilbeschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden. Darin zeigt:
Figur 1A ein schematisches Schaltbild eines Stimmgabel-Kristallschwingers mit einer Treibergrundschaltung;
Figur 1B ein Ersatzschaltbild des Stimmgabel-Quarzschwingers in Figur 1A;
Figur 2 das Blockschaltbild eines Umformers für Gaseigenschaften gemäß der Erfindung;
Figur 3 ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Treiberschaltung für die Detektor- und Referenzschwinger in Figur 2;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung des Frequenzmischers in Figur 2; sowie
Figur 5 eine schematische Darstellung der Schaltungen zur Verhältnisbildung in Figur 2.

Einzelbeschreibung der Erfindung

Wie oben kurz erwähnt, ist der Heizwert einer gasförmigen Substanz für die Bestimmung des kommerziellen Wertes der Substanz als Brennstoff wichtig. Bei industriellen Heizprozessen ist es vielfach nötig, einer Brennkammer eine vorgegebene Wärmemenge pro Zeiteinheit zuzuführen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. In anderen Fällen ist es erwünscht, den Brennstoffverbrauch zu optimieren, d.h. nur diejenige Wärmemenge zuzuführen, welche von einem Prozeß tatsächlich benötigt wird, selbst wenn eine größere Wärmemenge den Prozeß oder das Produkt nicht nachteilig beeinflussen würde. Für Abrechnungszwecke wird eine Belastung auf der Basis der zugeführten Wärmemenge einer Belastung auf Volumenbasis vorgezogen.
Ein Hauptziel der parallelen US-Patentanmeldung "On-Line Combustionless Measurement and/or Regulation of Gaseous Fueld Fed to Gas Consumption Devices" umfaßt die Herstellung eines kostengünstigen, zulässigen und nicht-aufwendigen Meßgeräts zum Bestimmen des Heizwertes eines gasförmigen Brennstoffs, insbesondere von Naturgas. Ein solches kostengünstiges Meßgerät könnte am Ort der meisten industriellen und kommerziellen Verbraucher und möglicherweise auch von Hauseigentümern installiert werden, um den Wärmeinhalt des Gases genauer zu bestimmen. Wegen der Komplexität vorhandener Geräte werden die Gaseigenschaften und der Heizwert (d.h. BTU/ft³) gegenwärtig nur an Gasübergabestationen untersucht.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Parallelanmeldung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Heizwertbestimmung beschrieben, welche die überraschende Feststellung ausnutzen, daß der Heizwert eines gasförmigen Brennstoffes leicht und genau aus einer empirischen Gleichung, beispielsweise von der folgenden Form bestimmt werden kann:
µ = a&sub0; + b&sub1;{f(n) (z)}o1 + c&sub1;f&sub1;(kt1, kt2)m1 + c&sub2;f&sub2;(kt1, kt2)m2 + d&sub1;cpt1p1 (1)
Darin ist:
µ = Wärmeinhalt des Gases;
a&sub0;, b&sub1;, c&sub1;, c&sub2;, d&sub1; = Konstanten;
o1, m1, m2, p1 = Exponenten;
n = Viskosität
z = Molekulargewicht M oder Dichte des Brenngases
kt1 = thermische Leitfähigkeit bei einer ersten Temperatur, t1;
kt2 = thermische Leitfähigkeit bei einer zweiten Temperatur, t2;
cpt1 = spezifische Wärme bei der ersten Temperatur, t1.
Wie in der Parallelanmeldung beschrieben, reduziert sich der bevorzugte Algorithinus zum Berechnen des Wärmeinhalts des Brenngases, wenn dieses Naturgas enthält auf:
Hc = -1287,7 + 808,700Cp0,73846 - 1,048,800k-1.7142 - 0,00090189(Mn)1.7514 (2)
wobei:
cp = spezifische Wärme des Brenngases
k = thermische Leitfähigkeit
Mn = (Molekulargewicht des Gases) x (Viskosität des Gases)
Der Begriff Molekulargewicht multipliziert mit der Viskosität, die Größe Mn, oder als alternativer Ausdruck n, nämlich die Dichte multipliziert mit der Viskosität kann vom Fachmann durch Verwendung einer Kombination verfügbarer Technologien bestimmt werden. Wie oben erwähnt, haben alle diese Technologien jedoch Nachteile, beispielsweise benötigen sie für den Betrieb besonders ausgebildetes Personal, erzeugen die Ergebnisse zeitlich verzögert, es fehlt die Wiederholbarkeit, das Muster wird zerstört, oder sie sind schwierig und teuer durchzuführen, können nicht im On-Line-Verfahren ausgeübt werden, und es fehlt ihnen eine ausreichende Genauigkeit, weil man die Bestandteile nicht vollständig unterscheiden kann. Die vorliegende Erfindung soll diese Nachteile vermeiden, indem sie eine effektivere, weniger teuere, zuverlässige und genaue Einrichtung als der Stand der Technik für die Bestimmung von Gaseigenschaften vorschlägt, beispielsweise von Gasdruck und der Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität), und hierdurch die Bestimmung des Heizwertes von Gas erleichtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform setzen der Umformer und das Verfahren einen Stimmgabel-Quarzschwinger ein. Die Eigenschaften eines solchen mechanisch schwingenden Bauteils hängen zum Teil von der Viskosität und der Dichte des dieses Bauteil umgebenden Gases ab. Insbesondere beeinflußt die benachbarte Masse des umgebenden Gases die Gesamtmasse des schwingenden Teils und damit dessen Schwingungsfrequenz. Die Gasdichte und die Viskosität beeinflussen die Güte Q oder den äquivalenten Serienwiderstand des schwingenden Teils. Man hat gefunden, daß dessen Serienwiderstand und Frequenz bei Resonanz unverwechselbar vom Druck, der Dichte und der Viskosität mehrere Testgase wie Erdgas, Methan, Luft und anderen abhängt. Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung nutzen diese Beziehung aus.
In Figur 1A ist ein Stimmgabel-Quarzkristall 10 schematisch zusammen mit einer Treiberschaltung 12 dargestellt, welche den Kristall 10 bei dessen Resonanzfrequenz in Schwingungen hält. Alle verfügbaren nicht-kristallinen Teile wie schwingende Platten oder Membranen könnten den Stimmgabelkristall 10 ersetzen. Im Idealfall wird jedoch ein Stimmgabeloszillator wegen seiner niedrigen Kosten, seiner Zuverlässigkeit der Verfügbarkeit und seiner relativen Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen eingesetzt. Obwohl irgendeine Art von Längs-, Quer- oder Schermodus der Deformation für die Ankoppelung des mechanischen Oszillators an das Testgas möglich ist, haben sich die mit einer Schermoduskopplung erreichten Ergebnisse als überlegen erwiesen, insbesondere, wenn die Viskosität eine der gesuchten Gaseigenschaften ist. Aufgrund umfangreicher Experimente scheint eine Grundfrequenz der Schwingungen von 16º0kHz eine überaus gute Energiekopplung zwischen dem Stimmgabeloszillator und dem umgebenden Erdgas zu erzielen und führt deshalb zu größerer Genauigkeit.
Die grundlegende Treiberschaltung 12 umfaßt ein Operationsverstärker 14 mit einer Verstärkung, eine Induktivität 16, einen Kondensator 18 sowie einen Widerstand 20, die alle so bemessen sind, daß sie den Kristall 10 mit einer Sinuswelle ansteuern. Ferner ist ein Lastwiderstand 22 am Eingang des Verstärkers 14 vorgesehen. Die Ausgangsspannung E des Kristalls 10 wird, wie gezeigt, als positive Rückkopplung in den Schaltkreis 12 zurückgeführt. Der Wert der Spannung E&sub0; ändert sich als Funktion von Gasdruck und Gaszusammensetzung um den Kristall 10 herum.
Figur 1B ist ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild für den Stimmgabelkristall 10. Die Schaltung umfaßt eine Induktivität 24 in Reihe mit einem Kondensator 26 und einem Widerstand 28, über die ein Kondensator 20 parallelgeschaltet ist. Der Bewegungswiderstand des Testgases gegenüber einer Bewegung der Stimmgabel beim Schwingen wird durch den Reihenwiderstand 28 vom Wert Rs dargestellt, der einen variablen Widerstand hat. Ein kleiner Teil von Rs repräsentiert die internen resistiven Verluste innerhalb des Quarzmaterials, aus dem die Stimmgabel hergestellt ist. Die Bestimmung des Reihenwiderstandes Rs ist für die vorliegende Vorrichtung und das Verfahren wichtig.
Wie unten beschrieben, werden bei der Ausführung des bevorzugten Umformers zwei praktisch identische Stimmgabelkristalle eingesetzt. Der eine Kristall ist direkt der Testgasumgebung ausgesetzt (dies ist der Kristall im Detektoroszillator) und der andere Kristall ist in eine feste Bezugskammer mit vorgegebenen Umgebungsbedingungen eingeschlossen, welche der Testgasumgebung ausgesetzt ist (dies ist der Kristall im Bezugsoszillator). Der Referenzoszillator wird zur Berücksichtigung von Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Anzeige des Detektoroszillators benutzt. Die Bezugskammer ist vorzugsweise evakuiert. Die Dämpfungskomponente oder der Reihenwiderstand jeder Stimmgabel kann durch Dividieren der Spannung an der Stimmgabel durch den diese durchfüeßenden Strom bei Serienresonanz ermittelt werden. Schließlich steuert jede Stimmgabel die Frequenz ihres entsprechenden Oszillatorschaltkreises.
Die Anmelderin hat festgestellt, daß bei solchen Oszillatoren eine einfache Beziehung zwischen den Kristall-Serienwiderstand- und Oszillatorfrequenz-Verschiebungs- Parametern auf der einen Seite und dem Absolutdruck, der Dichte oder dem Molekulargewicht und der Viskosität auf der anderen Seite besteht. Durch Anwenden einer linear progressiven Analyse auf die Experimentalergebnisse erhält man folgende Formeln:
P = ((Rsr - Rs)/A)d/g x (B/(fr - f))bg (3)
Zn = ((Rsr - Rs)/A)c/g x (B/(fr - f))a/g (4)
Dabei ist:
P = Gasdruck;
Zn = Gas (Z) (Viskosität), wobei Z = Dichte oder Molekulargewicht;
A, B = Koeffizienten;
a, b, c & d = Exponenten;
Rsr = Serienwiderstand des Referenzschwingers
Rs = Serienwiderstand des Detektorschwingers
fr = Frequenz des Referenzoszillators
f = Frequenz des Detektoroszillators.
Aus zwei gleichzeitigen Messungen eines Paars von Quarzkristallen ist es folglich möglich, sowohl den Gasdruck als auch die Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) oder die Eigenschaftskombination (Dichte x Viskosität) zu bestimmen. Der Serienresonanzwiderstand Rs des Detektorkristalls und der Serienresonanzwiderstand Rsr des Bezugskristalls können aus Gleichungen folgender Form bestimmt werden:
Rs = R&sub1; (1 - Eo/Ei)/(Eo/Ei) (5)
Rsr = Rlr (1 - Eor/Eir)/(Eor/Eir) (6)
Dabei ist:
Rl = Kristallastwiderstand des Oszillatorkreises;
Eo = Ausgangsspannung des Detektorkristalls;
Ei = Oszillatoreingangsspannung für den Detektorkristall;
Rlr = Kristallastwiderstand des Referenzoszillators;
Eor = Ausgangsspannung des Referenzkristalls;
Eir = Oszillatoreingangsspannung für den Referenzkristall.
Wenn das untersuchte Gas Erdgas enthält und die im Umformer benutzten Kristalle Serienresonanzfrequenzen von etwa 160 kHz haben, ergeben sich die spezifischen Werte für die Koeffizienten und Exponenten der Gleichungen (3) und (4) zu:
A = 0,00038987
B = -1.1992x10&supmin;&sup6;
a = 0,64677
b = 1.9498
c = 1
d = 0,8794
g = 1.38103
Wenn dies erst einmal bestimmt ist, kann die Eigenschaftenkombination Mn in einem Heizwertalgorithmus gemäß Gleichung (2) für die Berechnung des Wärmeinhalts des Brenngases benutzt werden, während der Gasdruck als Konversionsfaktor zum Umwandeln des berechneten Wärmeinhalts auf einen entsprechenden Wert bei Normaldruck dient.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Umformers ist schematisch in Figur 2 wiedergegeben. Bei dieser Ausführungsform ist ein erster Stimmgabel-Quarzkristall 10 (nachfolgend als Detektorkristall bezeichnet) dem Testgas ausgesetzt und ein zweiter identischer Stimmgabel-Quarzkristall 10' (nachfolgend als Referenzkristall bezeichnet) innerhalb einer geschlossenen Kammer 11 angeordnet. Die Kammer 11 selbst ist dem Testgas ausgesetzt. Die Kristalle (und die Kammer 11) befinden sich vorzugsweise in einer mit dem Testgas gefüllten Fühlerkammer, wie dies in der erwähnten Parallelanmeldung beschrieben ist. Die Kristalle 10 und 10' werden mittels der Detektorschaltung 12 bzw. der Referenzschaltung 12' im Schwingungszustand gehalten. Die Spannungen vom Kristall 10, d.h. die Ausgangsspannung Eo und die Eingangsspannung Ei werden über einen verhältnisbildenden A/D-Umsetzer geleitet, der die Wechselspannungssignale Eo und Ei in Digitalsignale umwandelt und das Verhältnis Eo/Ei am Ausgang 40 an den Rechner 44 liefert. Dieser wird später mit Bezug auf Figur 5 erläutert. Der Rechner 44 benutzt das Verhältnis Eo/Ei zum Berechnen des Serienwiderstands Rs des Kristalls 10 mittels der Gleichung (5). In ähnlicher Weise werden die Ausgangs- und Eingangsspannungen Eor und Eir vom Referenzkristall 10' einem A/D-Umsetzer 42 zugeleitet, um in ein Digitalformat umgewandelt zu werden und das Verhältnis Eor/Eir zu bilden. Der Rechner 44 benutzt dieses Verhältnis Eoro/Eir zur Berechnung des Serienwiderstands Rsr des Kristalls 10' unter Anwendung der Gleichung (6).
Gleichzeitig mit dieser Signalverarbeitung werden die Frequenzsignale vom Detektoroszillatorkreis 12 und vom Bezugsoszillatorkreis 12' einem unten noch beschriebenen Frequenzmischer 46 zugeleitet, welcher so ausgebildet ist, daß er die Summenfrequenz sowie die Differenzfrequenz zwischen den Oszillatorkreisen 12 und 12' liefert. Statt dessen könnte das Frequenzsignal der Oszillatoren mit einer geeigneten nachfolgenden Umwandlung unmittelbar dem Rechner 44 zugeleitet werden, damit dieser direkt die Differenz der Oszillatorfrequenzen (fr - f) berechnet. Vom Ausgang des Mischers 46 werden die Signale über ein Tiefpaßfilter 48 geleitet, welches unerwünschte Summenfrequenzen entfernt. Danach wird die Differenzfrequenz fr - f einem Teiler 50 zugeleitet, der durch N teilt. Die Teileroperation 50 enthält eine wahlweise und freiwillige Teilung des Frequenzdifferenzsignals fr - f durch eine vorgegebene Zahl N, um hierdurch die Frequenz des Differenzsignals zu verringern und ihre Verträglichkeit mit anderen Systemkomponenten zu verbessern. Das reduzierte Differenzsignal gelangt dann zu einem Zähler 52, der beispielsweise die Anzahl der Impulse eines Taktgebers 54 zählt, welche während eines Zyklus des Differenzsignals auftreten. Ein entsprechendes Signal wird vom Zähler 52 an den Rechner 44 gegeben, damit dieser die gewünschten mehreren Gaseigenschaften z.B. nach den Gleichungen (3) und (4) bestimmen kann.
Figur 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Detektoroszillatorkreises 12 und des Referenzoszillatorkreises 12' (da die Ausführung für beide Oszillatorkreise identisch ist, wird nur der Detektorkreis 12 im einzelnen beschrieben). Die Eingangsspannung Ei wird dem Stimmgabelkristall 10 zugeleitet. Die Ausgangsspannung Eo vom Kristall 10 gelangt am Eingang eines Verstärkers 60 zurück an die Treiberschaltung. Der Verstärker 60 ist ein Kaskodeverstärker mit Verstärkung. Im Normalbetrieb ist der Verstärker 60 überlastet, so daß an seinem Ausgang angenähert ein Rechtecksignal auftritt. Dieses Rechtecksignal wird über einen ersten Reihenwiderstand 62 an zwei antiparallel geschaltete Dioden 63 und 64 geleitet, die als Amplitudenbegrenzer dienen, um den Kristall mit einer konstanten Amplitude anzusteuern. Ein zweiter Reihenwiderstand 66 liegt zwischen dem Amplitudenbegrenzer und einem LC-Resonanzkreis bestehend aus einer Induktivität 68 und einem Kondensator 70. Der LC-Resonanzkreis ist auf die gleiche Frequenz wie der Oszillator abgestimmt und dient der Umwandlung des Rechtecksignals vom Verstärker 60 in ein Sinuswellensignal. Ein Sinussignal wird für die Ansteuerung des Kristalls 10 bevorzugt, um eine genaue Bestimmung des äquivalenten Serienwiderstands Rs nach der Gleichung (5) zu erleichtern. Da Eo eine Sinuswelle ist, sollte Ei vorzugsweise ebenfalls eine Sinuswelle sein. Auf den LC-Resonanzkreis folgt ein zweiter Verstärker 72, der ohne Verstärkung als Impedanzwandler dient. Der Verstärker 72 umfaßt eine Emitterfolgeschaltung mit niedriger Ausgangsimpedanz und hoher Eingangsimpedanz. In ähnlicher Weise ist ein Verstärker 74 an den Ausgang des Kristalls 10 angeschlossen, um die Ausgangsspannung Eo über dem Lastwiderstand Rl ohne Belastung des Widerstands zu messen. Die Ausgangsspannung Eo und die Eingangsspannung Ei werden getrennt dem Verhältnisbildungs-Schaltkreis 40 für Eo/Ei zugeleitet (Figur 2).
Da die Frequenzen der Eingangsspannung Ei und der Ausgangsspannung Eo gleich sind, können die dem Frequenzmischer 46 (Figur 2) zugeleiteten Frequenzen von irgendeinem Spannungssignal abgeleitet werden. Eine äquivalente Schaltkreisdarstellung für den Frequenzmischer 46 ist in Figur 4 wiedergegeben. Diese Schaltung umfaßt einen abgeglichenen Frequenzmischer (wie er in der Literatur bekannt ist), der eine Differenz zwischen der Detektoroszillatorfrequenz f und der Referenzoszillatorfrequenz fr empfängt. Die Detektoroszillatorfrequenz f wird den Primärwicklungen eines ersten Übertragers 80 zugeleitet, der eine Sekundärwicklung mit Mittenanzapfüng hat. Da der Kristall 10 dem Testgas, z.B. Erdgas ausgesetzt ist, ändert sich die Frequenz des Detektoroszillatorkreises 12 mit dem Druck und der Zusammensetzung des umgebenden Gases derart, daß sie leicht gegenüber 160 kHz (d.h. der Resonanzfrequenz des Referenzoszillators) verschoben ist. Die Spannungen an gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung des Transformators 80 sind um 180º phasenverschoben. Schalter 82 z.B. Feldeffekttransistoren werden synchron mit der Phase der Oszillatorfrequenz fr geschlossen und geöffnet. Die Frequenz fr wird in die Primärwicklung eines zweiten Transformators 84 eingespeist, der ebenfalls eine mit einer Mittenanzapfüng versehene Sekundärwicklung aufweist. Eine solche Schaltung hat die Wirkung, daß sie die beiden Eingangsfrequenzen derart miteinander multipliziert, daß ein Summen- und ein Differenzsignal als Ausgangssignale entstehen. Da das unerwünschte Summensignal eine wesentlich höhere Frequenz hat als das Differenzsignal, wird es durch ein nachfolgendes Tiefpaßfilter 48 (Figur 2) ausgesiebt.
Eine Ausführungsform für den das Verhältnis Eo/Ei bildenden Schaltkreis 40 ist in Figur 5 wiedergegeben (wiederum ist der das Verhältnis Eo/Ei bildende Schaltkreis 42 identisch). Diese Schaltung umfaßt einen verhältnisbildenden Servo-A/D-Umformer, dessen Einzelheiten aus der Literatur bekannt sind. Die Schaltung benutzt eine sehr genaue Widerstandsteilerkette in einem D/A-Umsetzer zum Messen des tatsächlichen Signalverhältnisses Eo/Ei mit einem geschlossenen Servokreis, der die verhältnisbildende Einrichtung ständig auf Null regelt. Der Verhältnisausgang ist digital, wobei man vorteilhaft den digitalen Antrieb eines D/A-Umsetzers benutzt, der rückwärts als A/D-Anzeige verwendet wird. Diese Methode der Bestimmung des Verhältnisses Eo/E&sub1; ist genauer, weil es unabhängig von den relativen Oszillatorsignalamplituden ist und stellt ein Brückverhältniskonzept dar, bei dem Rs und Rl als die zwei Brückenarme gegenüber der D/A-Widerstandskette (d.h. den anderen beiden Brückenarmen) dienen.
Kurz gesagt, empfängt ein veränderbares Potentiometer oder eine Widerstandskette 90 die Eingangsspannung Ei. Das Potentiometer 90 hat einen Abgriff 92, der über der Widerstandskette verstellbar ist und eine Spannung proportional zur Eingangsspannung Ei festlegt. Diese proportionale Spannung wird einem Differentialverstärker 94 zugeleitet, der das Proportionalsignal mit der Ausgangsspannung Eo vergleicht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 94 gelangt zu einem kombinierten Synchrondemodulator und Tiefpaßfilter 96, welcher das sinusförmige Differenzeingangssignal in eine Gleichspannung umwandelt und einem Vergleicher 98 zuleitet, der bestimmt, ob das resultierende Spannungssignal positiv oder negativ ist. Der Ausgang des Vergleichers 98 steht an einem Zähler 100, der beispielsweise ein 10MHz-Taktsignal zum Zählen empfängt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 98 steuert den Zähler, damit dieser entweder seinen Impulszählstand erhöht oder verringert. Das Ausgangssignal vom Zähler 100 wird über die Leitung 101 an den Abgriff 92 zurückgeführt. Die Rückführschaltung verstellt fortlaufend den Abgriff 92 in eine Null stellung, bei der das an der Widerstandskette abgegriffenen Spannungssignal gleich der Ausgangsspannung Eo ist. Wenn ein Abgleich erzielt ist, wird das sich ergebende Verhältnis Eo/Ei als Signal 101 dem Rechner 44 (Figur 2) zugeleitet, der es in den Gleichungen (5) und (6) einsetzt.
Zusammen mit der Umformervorrichtung offenbart die Erfindung, wie erwähnt, das allgemeine Verfahren für die Bestimmung mehrerer Eigenschaften eines Testgases unter varuerendem Druck und bei varuerender Zusammensetzung. Insbesondere umfaßt dieses Verfahren die Schritte: Versetzen eines Referenzschwingers und eines Detektorschwingers in Schwingungen mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Frequenz des dem Testgas ausgesetzten Detektorschwingers sich in Abhängigkeit vom Gasdruck und der Gaszusammensetzung ändert; Ableiten von Frequenzsignalen entsprechend den Schwingungsfrequenzen des Referenzschwingers und des Detektorschwingers; Vergleichen der entsprechenden Frequenzsignale und Erzeugen eines Ausgangssignals, welches der Frequenzdifferenz proportional ist; Bestimmen des Reihenwiderstandes des Referenzschwingers und des Reihenwiderstandes des Detektorschwingers; Vergleichen der Reihenwiderstände der beiden Oszillatoren und Erzeugen eines Signals, welches der Differenz ihrer Serienwiderstände proportional ist; Ableiten von Signalen entsprechend von zwei Gaseigenschaften basierend auf dem proportionalen Differenzfrequenzsignal und dem proportionalen Differenz-Serienwiderstandssignal, wie sie von den Referenz- und Detektorschwingern erzeugt werden. Die beiden bestimmten Eigenschaften können den Druck und eine Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) umfassen, die mittels der Gleichungen (3) und (4) bestimmbar sind. Vorzugsweise werden die beiden Vergleichsschritte, d.h. der Frequenzvergleich und der Vergleich der Serienwiderstände praktisch gleichzeitig durchgeführt, so daß die beiden Eigenschaften des Testgases im gleichen Meßzyklus festgestellt werden.
Obwohl die Erfindung im einzelnen anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können zahlreiche Modifikationen und Änderungen vom Fachmann vorgesehen werden. Folglich sollen die nachfolgenden Ansprüche auch alle derartigen Modifikationen und Änderungen im Rahmen der Erfindung umfassen.

Claims

1. Meßwandler, der in der Lage ist, Druck und wenigstens eine andere Eigenschaft eines Testgases zu bestimmen, wobei dieses Gerät folgendes umfaßt:

einen Referenz-Schwinger (10'), der innerhalb einer Kammer (11) mit einem festen Gasdruck und einer festen Gasdichte dicht eingeschlossen ist;

einen Detektor-Schwinger (10), der dem Testgas, das den Meßwandler umgibt, ausgesetzt ist;

eine erste Einrichtung (46) zum Vergleichen der Frequenzen des Referenz-Schwingers und des Detektor- Schwingers und zum Erzeugen eines Signals, das der Differenz in den Frequenzen dieser Schwinger proportional ist;

eine zweite Einrichtung (44) zum Vergleichen der Serienwiderstände des Referenz-Schwingers und des Detektor-Schwingers und zum Erzeugen eines Signals, das der Differenz in den Serienwiderständen dieser Schwinger proportional ist; und

eine Einrichtung (44) zum Ableiten von Signalen, die für den Gasdruck und eine andere Eigenschaft dieses Testgases repräsentativ sind, auf der Basis dieses proportionalen Frequenz-Differenzsignals und diesem proportionalen Serienwiderstand-Differenzsignal, die von dem Referenz-Schwinger und dem Detektor-Schwinger erzeugt worden sind.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem die zweite Vergleichseinrichtung im wesentlichen gleichzeitig mit der ersten Vergleichseichseinrichtung derartig arbeitet, daß der Meßwandler im wesentlichen gleichzeitig den Testgasdruck und wenigstens eine andere Eigenschaft des Testgases bestimmt.

3. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem diese wenigstens eine andere Eigenschaft die Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) umfaßt.

4. Meßwandler nach Anspruch 3, bei dem das Testgas ein Brennstoffgas umfaßt.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, bei dem die das besagte Signal ableitende Einrichtung Signale erzeugt, die für Brennstoffgasdruck und Brennstoffgas (Molekulargewicht x Viskosität) nach den folgenden Formeln repräsentativ sind:

P = ((Rsr - Rs)/A)d/g x (B/(fr - f))b/g

Mn = ((Rsr - Rs)/A)c/g x (B/(fr - f))a/g

worin

p = Gasdruck;

Mn = Gas (Molekulargewicht x Viskosität);

A, B = Koeffizienten;

a, b, c & d = Exponenten;

g = bc - ad;

Rsr = Serienwiderstand des Referenz-Schwingers;

Rs = Serienwiderstand des Detektor-Schwingers;

fr = Frequenz des Referenz-Oszillators;

f = Frequenz des Detektor-Oszillators.

-3-

6. Meßwandler nach Anspruch 5, bei dem der Serienwiderstand des Detektor-Schwingers, Rs, und der Serienwiderstand des Referenz-Schwingers, Rsr, nach den folgenden Formeln bestimmt werden:

Rs = Rl (1 - Eo/Ei)/(Eo/Ei)

Rsr = Rlr (1 - Eor/Eir)/(Eor/Eir)

wobei:

Rl = Schwingerlastwiderstand des Detektor- Oszillators

E = Ausgangsspannung des Detektor-Schwingers

Ei = Eingangsspannung zum Detektor-Schwinger

Rlr = Schwingerlastwiderstand des Referenz- Oszillators

Eor = Ausgangsspannung des Referenz-Schwingers

Eir = Eingangsspannung an den Referenz-Schwinger.

7. Meßwandler nach Anspruch 5, bei dem der Referenz- Schwinger und der Detektor-Schwinger im Scherdeformationsmodus arbeiten.

8. Meßwandler nach Anspruch 7, bei dem der Referenz- Schwinger und der Detektor-Schwinger jeweils einen Stimmgabelkristall umfassen.

9. Meßwandler nach Anspruch 8, bei dem das Brennstoffgas Erdgas umfaßt und die Kristalle eine Fundamentalresonanzfrequenz von 160 kHz haben und wobei folgendes gilt:

A = 0,0038987

B = -1,1992x10&supmin;&sup6;

a = 0,64677

b = 1,9498

c = 1

d = 0,8794

g = 1,38103.

10. Meßwandler nach Anspruch 5, bei dem der Referenz- Schwinger in einer hochevakuierten Kammer dicht eingeschlossen ist.

11. Meßwandler nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine andere Eigenschaft die Eigenschaftskombination (Dichte) x (Viskosität) umfaßt.

12. Meßwandler nach Anspruch 11, bei dem das Testgas ein Brennstoffgas umfaßt und bei dem die signalableitende Vorrichtung Signale erzeugt, die für Brennstoffgasdruck und die Eingenschaftskombination (Dichte) x (Viskosität) nach den folgenden Formeln:

P = ((Rsr - Rs)/A)d/g x (B/(fr - f))b/g

n = ((Rsr - Rs/A)c/g x (B/fr - f))a/g

repräsentativ sind, wobei folgendes gilt:

p = Gasdruck;

n = Gas (Dichte) x (Viskosität);

A,B = Koeffizienten;

a, b, c & d = Exponenten;

g = bc - ad;

Rsr = Serienwiderstand des Referenz-Schwingers;

Rs = Serienwiderstand des Detektor-Schwingers;

fr = Frequenz des Referenz-Oszillators;

f = Frequenz des Detektor-Oszillators.

13. Meßwandler nach Anspruch 12, bei dem der Referenz-Schwinger und der Detektor-Schwinger im Scherdeformationsmodus arbeiten und jeder einen Stimmgabelkristall umfaßt.

14. Verfahren zum Bestimmen von zwei Eigenschaften eines Testgases mit variierendern Druck und variierender Zusammensetzung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Bereitstellen eines Referenz-Schwingers (10'), der innerhalb einer Kammer (11) mit einem festen Gasdruck und einer festen Dichte dicht eingeschlossen ist, und Aussetzen dieser Kammer dem Testgas;

(b) Bereitstellen eines Detektor-Schwingers (10), der dem Testgas ausgesetzt ist;

(c) Bewirken, daß sowohl der Referenz-Schwinger als auch der Detektor-Schwinger mit einer Resonanzfrequenz schwingen, wobei die Resonanzfrequenz des Detektor-Schwingers mit Änderungen im Testgasdruck und in der Testgaszusammensetzung variiert;

(d) Erzeugen von Frequenzsignalen, die den Frequenzen der Schwingung des Referenz-Schwingers und des Detektor-Schwingers entsprechen;

(e) Vergleichen der entsprechenden Frequenzsignale und Erzeugen eines elektrischen Signals, das der Differenz dieser Frequenzen proportional ist;

(f) Bestimmen des Serienwiderstandes des Referenz- Schwingers und des Serienwiderstandes des Detektor- Schwingers;

(g) Vergleichen der Serienwiderstände des Referenz- Schwingers und des Detektor-Schwingers und Erzeugen eines elektrischen Signals, das der Differenz der beiden Serienwiderstände proportional ist; und

(h) Ableiten von Signalen, die für zwei Gaseigenschaften repräsentativ sind, auf der Basis des elektrischen proportionalen Frequenz-Differenzsignals und des elektrischen proportionalen Serienwiderstand-Differenzsignals die unter Verwendung des Referenz-Schwingers und des Detektor-Schwingers erzeugt wurden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Vergleichsschritt (e) und der Vergleichsschritt (g) im wesentlichen gleichzeitig derart durchgeführt werden, daß die zwei Testgaseigenschaften innerhalb des gleichen Meßzyklus bestimmt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die zwei Gaseigenschaften, die durch dieses Verfahren bestimmt werden, Druck und die Eigenschaftskombination (Molekulargewicht x Viskosität) umfassen und bei dem der Ableitungsschritt (h) die besagten Signale, die für die zwei Gaseigenschaften repräsentativ sind, über die folgenden Formeln ermittelt:

P = ((Rsr - Rs)/A)d/g x (B/(fr - f))b/g

Mn = ((Rsr - Rs)/A)c/g x (B/(fr - f))a/g

wobei folgendes gilt:

P = Gasdruck;

Mn = Gas (Molekulargewicht x Viskosität);

A, B = Koeffizienten;

a, b, c & d = Exponenten;

g = bc - ad

Rsr = Serienwiderstand des Referenz-Schwingers;

Rs = Serienwiderstand des Detektor-Schwingers;

fr = Frequenz des Referenz-Oszillators;

f = Frequenz des Detektor-Oszillators.