DE69919853T2

DE69919853T2 - Vorrichtung und verfahren zur unmittelbaren messung des heizwertes eines brennbaren gases

Info

Publication number: DE69919853T2
Application number: DE69919853T
Authority: DE
Inventors: Benoit Froelich; Didier Dominguez
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2019-03-20
Also published as: ID27291A; FR2776776B1; HUP0102222A2; EP1064533B1; CN1294680A; DE69919853D1; HUP0102222A3; CA2324903A1; FR2776776A1; EP1064533A1; AU2844599A; BR9908957A; JP2002507740A; PL343019A1; WO1999049299A1; US6536946B1; ES2228017T3; KR20010034643A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wärmeenergie, die in einem in einer Leitung transportierten, brennbaren Gas enthalten ist, mit einem Gaszähler, der unter den Bedingungen für Druck P und Temperatur T ein Gasvolumen V des Gases misst, das in der Leitung zirkuliert, und eine Einrichtung zur Bestimmung des Brennwerts H des Gases.
Es ist bekannt, die Wärmeenergie zu messen, die in einem brennbaren Gas, wie beispielsweise Erdgas, enthalten ist, das in einer Leitung transportiert wird.
Hierzu wird im Allgemeinen ein Chromatograph oder ein Kalorimeter an einem gegebenen Ort der Leitung platziert und bestimmt den Brennwert H des Gases an einer Gasprobe, die aus der Leitung entnommen wird und die auf so genannte Normalbedingungen für Druck P0 und Temperatur T0 gebracht wird.
Der Brennwert H wird daher unter diesen Bedingungen ermittelt.
Ein Gaszähler, der an einem anderen Ort der Leitung platziert ist, misst ein Gasvolumen V des in der Leitung zirkulierenden Gases unter den Bedingungen für Druck P und Temperatur T an dem Ort, wo die Volumenmessung erfolgt.
Mit dem Gaszähler ist zudem eine Korrekturvorrichtung für Druck und Temperatur und manchmal auch den Kompressibilitätskoeffizienten verknüpft und transformiert das unter den Bedingungen für Druck P und Temperatur T gemessene Gasvolumen V in ein auf die Normalbedingungen für Druck P0 und Temperatur T0 gebrachtes Volumen V0.
Um die Korrektur am Volumen V vorzunehmen, sind ein Druckaufnehmer und ein Temperaturaufnehmer notwendig.
Die in dem Gas enthaltene Wärmeenergie ist dann das Resultat des Produkts HV0.
Diese Messtechnik für die Wärmeenergie des Gases weist jedoch Nachteile auf, denn sie erfordert neben der Bestimmungseinrichtung für den Brennwert (Chromatograph, Kalorimeter...) den Einsatz einer Korrektureinrichtung für Druck und Temperatur sowie Aufnehmer für Druck und Temperatur, was sehr teuer sein kann.
Es wäre folglich von Interesse, die in einem brennbaren Gas enthaltene Wärmenergie auf eine im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Weise vereinfachte Weise messen zu können.
Das Dokument GB 2 312 508 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Wärmeenergie, die in einem durch eine Leitung transportierten, brennbaren Gas enthalten ist, mit einem Gaszähler, der ein Gasvolumen V des in der Leitung zirkulierenden Gases misst, und einer Einrichtung zur Bestimmung des Brennwerts H des Gases, wobei die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert zumindest eine physikalische Größe misst, die proportional zur Anzahl von Molekülen der unterschiedlichen Bestandteile des Gases ist, und in der Nähe des Gaszählers platziert ist.
Gegenstand der Erfindung ist eine Messvorrichtung für die Wärmeenergie nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, keine Korrektureinrichtung für Druck und Temperatur zu verwenden und damit den Brennwert des Gases ohne Messung von Druck und Temperatur zu bestimmen.
Dies wird einerseits dadurch möglich, dass die Bestimmung des Brennwerts an dem Ort erfolgt, wo das Gasvolumen gemessen wird, und andererseits dadurch, dass eine physikalische Größe gemessen wird, die proportional zur Molekülzahl der verschiedenen Gasbestandteile in einem gegebenen Volumen ist.
Die Messung der physikalischen Größe wird in der Tat direkt die Zahl der in dem gegebenen Volumen bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur vorhandenen Molekülen liefern.
Wenn der Druck oder die Temperatur variiert, variiert die Zahl der Moleküle in dem gegebenen Volumen entsprechend der Gleichung n = PV/ZRT, wobei Z den Kompressibilitätskoeffizienten des Gases und R die ideale Gaskonstante bezeichnet; die physikalische Größe variiert im gleichen Verhältnis.
Diese physikalische Größe misst folglich die Zahl von Molekülen der verschiedenen Bestandteile des Gases unabhängig vom Druck und der Temperatur.
Die gemessene physikalische Größe ist der Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen brennbaren Bestandteil, der in dem Gas vorherrschend vorhanden ist, und für zumindest eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung.
Die Vorrichtung leitet dann aus dieser Absorptionsgradmessung den Brennwert ab.
Die Wahl dieser physikalischen Größe ist zudem wirklich vorteilhaft, weil sie keinen Kontakt mit dem Gas erfordert.
Die Wahl einer Strahlung, das heißt eines Wellenlängenbereichs, für den die Neutralgase (N₂, O₂, CO₂) nicht absorbieren, ist besonders vorteilhaft, denn derartige Bestandteile leisten keinen Beitrag zum Brennwert des Gases.
So absorbieren die Bestandteile N₂ und O₂ zum Beispiel nicht im Infraroten und der Bestandteil CO₂ absorbiert nicht in einem Teil des Infraroten.
Es ist daher sehr vorteilhaft, diese physikalische Größe zu verwenden, denn sie gestattet es, sich nur für die Bestandteile zu interessieren, die zum Brennwert des Gases beitragen; dies ist daher einfacher als mehrere verschiedene Arten von zu messenden Größen zu haben.
In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gases und der gewünschten Genauigkeit für den Brennwert, kann es genügen, sich nur für einen einzigen, vorherrschend in dem Gas vorhandenen, brennbaren Bestandteil zu interessieren, zum Beispiel Methan oder Ethan oder Propan oder Butan oder Pentan.
Um die Genauigkeit bei der Bestimmung des Brennwertes zu erhöhen, misst die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert des Gases den Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung für weitere in dem Gas vorhandene, brennbare Bestandteile.
Für Erdgas kann man so neben der Messung für den vorherrschend in dem Gas vorhandenen, brennbaren Bestandteil den Absorptionsgrad für eine oder mehrere weitere, geringer vorhandene, brennbare Bestandteile messen, für die Ethan, Propan, Butan oder Pentan gewählt werden kann.
Die (oder die verschiedenen) Wellenlänge(n) der Strahlung kann (können) so ausgewählt werden, dass jeder Wellenlänge der Beitrag eines einzigen brennbaren Bestandteils des Gases oder von mehreren brennbaren Bestandteilen entspricht.
Die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert des Gases umfasst insbesondere auf zumindest einem Abschnitt der Gasströmung folgendes:

– zumindest eine Quelle zur Emission der elektromagnetischen Strahlung durch den Gasströmungsabschnitt,
– Filtermittel für die Strahlung;
– Erfassungsmittel für die durch Absorption aufgrund des (der) brennbaren Bestandteils(e) des Gases für die entsprechende(n) Wellenlänge(n) geschwächte Strahlung, die ein für diese Strahlung repräsentatives Signal für jede betreffende Wellenlänge liefern, und
– elektronische Mittel, um daraus den Brennwert des Gases sowie die in dem Gas enthaltene Energie H(P,T)V(P,T) abzuleiten.

Die Filtermittel für die Strahlung können ein (oder mehrere) Interferenzfilter umfassen, das (die) jeweils für eine andere Wellenlänge der Strahlung geeignet ist (sind), für die zumindest einer der Bestandteile des Gases eine Absorption aufweist.
Gemäß einer weiteren Möglichkeit können die Filtermittel für die Strahlung ein Filter umfassen, das elektrisch auf einen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, der zumindest eine Wellenlänge enthält, für die der (die) Bestandteil e) des Gases eine Absorption aufweist(en).
Die elektromagnetische Strahlung liegt zum Beispiel im Infraroten.
Der Wellenlängenbereich, der eine (mehrere) Wellenlänge(n) enthält, für die der (die) Bestandteil e) des Gases eine Absorption auf weist(en), liegt zum Beispiel zwischen 1 und 12 μm.
Wenn der vorherrschende Bestandteil in dem Gas Methan ist, ist es zum Beispiel möglich, sich für einen Wellenlängenbereich zwischen 1,6 und 1,3 μm zu interessieren.
Gegenstand der Erfindung ist ebenso ein Verfahren zur Messung der Wärmeenergie nach Anspruch 18.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, eine physikalische Größe zu messen, die der Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen in dem Gas vorhandenen, brennbaren Bestandteil für zumindest eine Wellenlänge der Strahlung ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso darin bestehen, den Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch weitere, in dem Gas vorhandene, brennbare Bestandteile für unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung zu messen.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, die (verschiedene(n) Wellenlänge(n) der Strahlung so auszuwählen, dass jeder Wellenlänge der Beitrag eines einzigen brennbaren Bestandteils des Gases oder von mehreren brennbaren Bestandteilen entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht insbesondere darin:

– eine elektromagnetische Strahlung durch zumindest einen Teil des Gasstroms zu emittieren,
– die Strahlung zu filtern,
– die durch die Absorption aufgrund des (der) brennbaren Bestandteils(e) für die entsprechende(n) Wellenlänge(n) geschwächte Strahlung zu erfassen und ein für diese Strahlung repräsentatives elektrisches Signal für jede betreffende Wellenlänge zu liefern, und
– auf der Basis des Signals oder der Signale den

Brennwert des Gases sowie die in dem Gas enthaltene Energie H(P,T)V(P,T) zu bestimmen.
Die elektromagnetische Strahlung wird so gewählt, dass die Neutralgase (N₂, O₂, CO₂) diese Strahlung nicht absorbieren.
Die Strahlung wird zum Beispiel im Infraroten gewählt.
Weitere Merkmale und Vorteile werden im Laufe der folgenden Beschreibung offenbar werden, die nur ein keine Einschränkung darstellendes Beispiel wiedergibt und Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen nimmt:
1 ist eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Energie,
2a gibt ein vereinfachtes Schema verschiedener Elemente wieder, die Bestandteile der Einrichtung bilden,
2b gibt schematisch unterschiedliche Absorptionsstrahlen für drei unterschiedliche Wellenlängen wieder,
2c gibt schematisch drei Absorptionsspektren A, B, C von verschiedenen brennbaren Bestandteilen und ihre relative Position bezüglich drei verschiedenen Wellenlängen an,
3 ist eine schematische Ansicht, die ein elektrisch abstimmbares Filter wiedergibt,
4 ist eine Ansicht einer Ausführungsvariante der Einrichtung.
Wie in 1 wiedergegeben ist und durch das allgemeine Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, umfasst eine Messvorrichtung für die in einem brennbaren Gas, wie beispielsweise Erdgas, enthaltene Energie einen Gaszähler 12 und eine Einrichtung 14 zur Bestimmung des Brennwerts H des Gases.
Der Gasstrom, der durch den in 1 mit dem Bezugszeichen G versehenen Pfeil angezeigt ist, wird in einer Leitung 16 transportiert, in der die Vorrichtung 10 installiert ist.
Der Gaszähler 12 umfasst eine Messeinheit, die von einem Fluidoszillator bekannter Art gebildet wird und die ausführlich in der Patentanmeldung WO 97 35116 beschrieben ist.
Dieser Oszillator umfasst ein Gehäuse 18, das eine Kammer 20 begrenzt, in der ein Hindernis 22 sowie ein Einlass 24 und Auslass 26 installiert sind, die in dem Gehäuse ausgebildet sind, um den Eintritt in beziehungsweise den Austritt des Gasstroms aus der Kammer 20 zu ermöglichen.
Der Eingang 24 ist in Form eines Schlitzes mit im Vergleich zu seiner Längsabmessung geringer Breite ausgeführt, der senkrecht zur Ebene der 2 liegt; dadurch wird ein Gasstrahl gebildet, der in der Kammer 20 oszillieren wird. Zwei thermische Aufnehmer 28, 30 (in 1 durch Kreise dargestellt) gestatten es, die Oszillationsfrequenz des Strahls zu erfassen. Dieser Fluidoszillator funktioniert auf die in dem Dokument WO 97 35116 beschriebene Weise.
Es sollte angemerkt werden, dass für die Zwecke der vorliegenden Erfindung an seiner Stelle jede Art eines Gaszählers verwendet werden könnte.
Zum Beispiel könnten hier ein Volumengaszähler mit Drehkolben oder verformbaren Bälgen oder auch ein Zähler, der auf dem Prinzip der Messung der Ausbreitungszeit einer in den Strom zwischen zumindest zwei akustischen Wandlern ausgesendeten akustischen Welle beruht, verwendet werden.
Der Gaszähler misst ein Gasvolumen V unter den Bedingungen für Druck P und Temperatur T, die diejenigen des Gases in der Leitung 16 sind. Die Einrichtung 14 ist so nah wie möglich am Gaszähler oder sogar in der Messeinheit angeordnet, wenn dies sich als machbar herausstellt, damit der Brennwert H direkt durch diese Einrichtung unter den gleichen Bedingungen für Druck P und Temperatur T bestimmt wird wie denjenigen, die der Messung des Gasvolumens entsprechen.
Die Wärmeenergie oder Verbrennungsenthalpie des Gases ist so durch das Produkt der zwei Messungen V(P,T) und H(P,T) gegeben, ohne dass das Volumen V zuvor für Druck und Temperatur korrigiert wurde. Die Einrichtung 14 kann direkt den Brennwert H(P,T) unter den Bedingungen für Druck und Temperatur bestimmen, die diejenigen des Gasstroms in der Leitung sind, denn diese Einrichtung misst zumindest eine physikalische Größe, die proportional zu der Zahl der Moleküle verschiedener Bestandteile des Gases in einem gegebenen Volumen ist, und diese Messung kann an den Molekülen erfolgen, die dem Druck P und der Temperatur T unterliegen.
Gemäß dem Dokument EP 95308501.6 ist zum Beispiel ein Verfahren zur Bestimmung des Brennwerts bekannt, das die Messung von vier physikalischen Größen erfordert: der Dichte, der Schallgeschwindigkeit, der Wärmeleitfähigkeit und der Viskosität.
Es ist vorteilhafterweise möglich, das Verfahren zur Bestimmung des Brennwerts beträchtlich zu vereinfachen, indem als einzige physikalische Größe die Eigenschaft der in dem Gas vorhandenen brennbaren Bestandteile gewählt wird, die darin besteht eine elektromagnetische Strahlung für zumindest eine Wellenlänge dieser Strahlung zu absorbieren.
In diesem Fall ist für die Messung kein Kontakt mit dem Gas notwendig und die Einrichtung 14 zur Bestimmung des Brennwerts kann direkt in der Leitung 16 installiert werden, ohne dass dies zu einer Störung der Gasströmung Anlass gibt.
Wie in den 1 und 2a dargestellt ist, umfasst diese Einrichtung eine Quelle 32 zur Emission einer elektromagnetischen Strahlung, die diese Strahlung durch den Teil 34 des Stroms emittiert, der durch das Bündel der Quelle begrenzt ist.
Die Quelle 32 ist auf einer Seite der Leitung 16 angebracht.
Die Einrichtung 14 umfasst auf der gegenüberliegenden Seite der Leitung einen Block 36, der einerseits Mittel zur Filterung der durch die Absorption durch brennbare Bestandteile des Gases geschwächten Strahlung und andererseits Mittel zur Erfassung dieser geschwächten und gefilterten Strahlung enthält.
Es sollte angemerkt werden, dass die Filtermittel alternativ auf der Seite angebracht sein könnten, auf der sich die Quelle 32 befindet.
Die Filtermittel können eines oder mehrere herkömmliche Interferenzfilter umfassen, die jeweils für eine bestimmte Wellenlänge geeignet sind.
Ein einziges Filter kann verwendet werden, wenn das Gas vorherrschend oder sogar nur Methan und einige Neutralgase umfasst. Das Filter ist dann dafür geeignet, die Strahlung um eine für die Absorption des Methans charakteristische Wellenlänge zu filtern.
Im Großteil der Fälle sind jedoch mehrere Filter vorgesehen, entweder weil man die Absorption durch mehrere geringer vorhandene, brennbare Bestandteile zu messen wünscht, um eine sehr gute Genauigkeit des Brennwerts zu erhalten, oder weil die anderen, in dem Gas vorhandenen brennbaren Bestandteile signifikant zum Brennwert beitragen und ihre Nichtberücksichtigung sich in einem völlig irrealen Brennwert äußern würde.
Jedes der Filter ist für eine unterschiedliche Wellenlänge der Strahlung geeignet. Die Wellenlängen, zum Beispiel λ₁, λ₂, λ₃, können derart gewählt werden, dass jede von ihnen dem Spektrum eines einzigen brennbaren Bestandteils (2b) oder auch dem Spektrum von mehreren Bestandteilen (2c) entspricht. Es ist leichter, den ersten Fall zu wählen, denn die Absorption durch den entsprechenden Bestandteil wird direkt durch die Erfassungsmittel erhalten.
Im zweiten Fall, der in 2c durch die Spektren A, B und C von drei verschiedenen brennbaren Bestandteilen dargestellt ist, hängt der gemessene Absorptionsgrad von allen bei der betreffenden Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) vorhandenen Bestandteile ab und es ist daher notwendig, ein Gleichungssystem zu lösen, wobei die Unbekannten die Molekülzahl verschiedener Bestandteile je Volumeneinheit beim Druck P und der Temperatur T sind.
Man muss ebenso darauf achten, dass die Wellenlängen so gewählt werden, dass für jede von ihnen unabhängige Informationen über den Beitrag jedes Bestandteils erhalten werden.
Andernfalls könnte das Gleichungssystem nicht gelöst werden.
Derartige Filter können zum Beispiel auf einer durch einen Motor um eine Achse drehbar angebrachten Trommel installiert werden.
Es ist ebenso möglich, die Einrichtung zu vereinfachen, indem an Stelle der Filter ein Interferenzfilter 38 vorgesehen wird, das elektrisch über einen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, der die Wellenlänge(n) enthält, für die der (oder die) Bestandteil e) die Strahlung absorbiert(en).
Die gewählte elektromagnetische Strahlung könnte zum Beispiel im Bereich der Hochfrequenzen oder auch im optischen Bereich liegen. Im optischen Bereich könnte es sich um Ultraviolett oder Infrarotstrahlung handeln.
Die optische Strahlung ist insbesondere von infraroter Art und man interessiert sich genauer gesagt für einen Teil des Spektrums, in dem die Bestandteile N₂, O₂ und CO₂ keine Absorption aufweisen.
Die Quelle 32 ist zum Beispiel eine breitbandige Quelle, die aus einem Wolframdraht besteht.
Das Filter 38 ist zum Beispiel über den Wellenlängenbereich zwischen 3,2 und 3,6 μm abstimmbar. Ein derartiges Filter ist in 3 dargestellt und ausführlich in der Europäischen Patentanmeldung 0 608 049 beschrieben. Dieses Filter ist zum Beispiel aus mikromechanisch bearbeitetem Silizium hergestellt und besteht aus einer festen Elektrode 40, die einen Träger bildet, und einer beweglichen Elektrode 42, die voneinander durch einen bestimmten Abstand e0 getrennt sind, der einer Position entspricht, in der die bewegliche Elektrode nicht deformiert ist.
In dieser so genannten Ruheposition wird die in 3 durch den mit R bezeichneten Pfeil angezeigte Strahlung für die Wellenlänge λ₀ gefiltert, die gleich 2 e₀ ist (und für die Harmonischen dieser Wellenlänge).
Eine Spannungsquelle 44 ist mit der beweglichen und der festen Elektrode verbunden und wenn eine Spannung angelegt wird, verformt sich die bewegliche Elektrode und nähert sich der festen Elektrode. Der Abstand zwischen den Elektroden vermindert sich auf e₁ (e₁ < e₂) und die Strahlung wird dann für die Wellenlänge λ₁ gleich 2 e₁ gefiltert. Das Filter stellt sich somit für unterschiedliche elektrische Spannungswerte auf unterschiedliche Wellenlängen ein.
Wie in 2 dargestellt ist, umfasst der Block 36 ebenso einen breitbandigen Detektor 44 wie beispielsweise ein Bolometer, eine Thermossäule oder eine Photodiode.
Die Energie, die in der Infrarotstrahlung enthalten ist, die das Gas und das Filter 38 durchquert, wird durch den Detektor 44 aufgenommen und in ein für diese Strahlung repräsentatives elektrisches Signal transformiert.
Das Signal wird dann verstärkt und durch den Wandler 46 in ein digitales Signal konvertiert und dann in einen Mikroprozessor 48 eingegeben.
Für die Steuerung des Filters 38 und insbesondere zur Auswahl der verschiedenen Wellenlängen wird ein Digital/Analog-Wandler 50 verwendet.
Das Gas ist beispielsweise Erdgas, dessen Zusammensetzung die folgende ist, mit dem entsprechenden Brennwert in Kilojoule pro Mol:
Die Wellenlängen werden wie zuvor beschrieben ausgewählt und sind zum Beispiel wie folgt definiert:
λ₁ = 3,2 μm
λ₂ = 3,3 μm
λ₃ = 3,4 μm
λ₄ = 3,5 μm
λ₅ = 3,6 μm
Diese Wellenlängen sind derart, dass jeder von ihnen der Beitrag von mehreren brennbaren Bestandteilen entspricht.
Indem eine Spannung V mit einem bestimmten Wert von zum Beispiel 20 V an das Filter 38 angelegt wird, stellt dieses sich auf die Wellenlänge λ₁ ein und der Detektor 44 liefert ein elektrisches Signal entsprechend S₁(V): S1(V) = ∫E(λ)θGas(λ,xi)θf(λ,V)Sd(λ)dλλ
wobei E(λ) die durch die Quelle 32 emittierte Lichtintensität bezeichnet und θGas(λ,xi) = exp (–LΣαi(λ) .xi)
i
die Spektralempfindlichkeit aufgrund aller bei dieser Wellenlänge vorhandenen brennbaren Gasbestandteile ist.
L bezeichnet die Länge des optischen Wegs im Gas, xi repräsentiert die Molekülzahl des brennbaren Bestandteils i je Volumeneinheit bei Druck P und Temperatur T,
α_i bezeichnet den Absorptionskoeffizienten des brennbaren Bestandteils i und hängt von der Wellenlänge, dem Druck und der Temperatur ab,
θf(λ,V) repräsentiert die optische Transmission des Filters 38 und Sd die Spektralempfindlichkeit des Detektors.
Indem das Filter 38 auf die verschiedenen Wellenlängen λ₁ bis λ₅ für unterschiedliche Spannungswerte abgeglichen wird, werden die Werte S₁(V₁) bis S₅(V₅) gemessen. Der Absorptionsgrad A definiert sich wie folgt A(V) = Ln(1/S(V)), wobei Ln den natürlichen Logarithmus bezeichnet; es wird das folgende System von fünf Gleichungen erhalten: A1(V1) = a11x1 + a21x2 +...+ a51x5 A2(V2) = a12x1 + a22x2 +...+ a52x5 A5(V5) = a15x1 + a25x2 +...+ a55x5 wobei die Terme a_ij vom Bestandteil i und der Vorrichtung 14 abhängen.
Bevor die Erfindung für ein Erdgas unbekannter Zusammensetzung eingesetzt wird, wird vorab ein Eichungsschritt im Labor durchgeführt, indem in die Einrichtung 14 mehrere Gase mit Bestandteilen mit bekannten Molzahlen xi je Volumeneinheit bei gegebenen T und P injiziert werden.
Für jedes Gas bekannter Zusammensetzung, werden nacheinander die Spannungen Vi(i = 1,...,5) an das Filter angelegt, damit seine spektrale Transmission sich auf die Wellenlängen λ_i(I = 1,...,5) abgleicht; für jedes Paar Vi/λi liefert der Detektor einen Wert S_i(Vi).
Auf diese Weise wird für das erste Gas ein System von fünf Gleichungen erhalten: A11(V1) = a11x1 +...+ a51x5 A51(V5) = a15x1 +... + a55x5 wobei die x_i(i = 1,...,5) bekannt sind und die Terme a_ij die Unbekannten sind.
Indem in die Einrichtung 14 vier weitere Gase bekannter Zusammensetzung injiziert werden, werden so zwanzig zusätzliche Gleichungen mit den gleichen Termen a_ij wie die vorhergehenden erhalten.
Dies gestattet es dann, durch ein bekanntes mathematische Verfahren, wie zum Beispiel ein Verfahren zur Lösung linearer Gleichungen, das folgende Gleichungssystem zu lösen, wobei die Unbekannten die Koeffizienten a_ij sind:
wobei die Indizes k das betreffende, bekannte Gasgemisch identifizieren.
Indem die Matrix [a_ij] durch ein mathematisches Verfahren zur klassischen Inversion invertiert wird, gelangt man zu einem System
Die werte x_i schreiben sich dann x_i = Σb_ijA_j(V)
j = 1,...,5
Es genügt, in dem Speicher des Mikroprozessors 48 die bei der Kalibrierung berechneten Daten bis zu speichern und wenn ein Erdgas unbekannter Zusammensetzung und damit unbekannten Brennwerts in der Leitung 16 transportiert wird, werden die verschiedenen Werte Aj(V) für unterschiedliche Wellenlängen des Filters gemessen, die für entsprechende Spannungswerte erhalten werden; die Terme x_i leiten sich leicht daraus ab.
Der Brennwert H(P,T) des Gases schreibt sich Σx_iH_i,
wobei H_i den Brennwert i = 1,...,5 des Bestandteils i in Joule pro Mol angibt.
Folglich wird der Brennwert H(P,T) direkt erhalten, sobald die Terme x_i bestimmt sind.
Die Energie H(P,T)V(P,T) wird dann wie vorstehend abgeleitet.
Die Einrichtung zur Bestimmung des Brennwerts kann ebenso zum Beispiel stromabwärts von der Kammer 20 des Fluidoszillator platziert werden und durch das allgemeine Bezugszeichen 52 (1) bezeichnet sein.
Diese Einrichtung umfasst auf eine zu der Einrichtung 14 analoge Weise eine Quelle 54, Mittel zur Filterung und Erfassung 56 sowie eine gasgefüllte Kammer 58, die zwischen der Quelle 54 und den Mitteln 56 angeordnet ist.
Die Einrichtung 52 ist als Abzweigung an der Leitung 16 mittels zweier Anschlüsse 60, 62 angeordnet, die es jeweils gestatten, einen Teil des Gasstroms in die Kammer 58 zu führen und ihn in die Leitung zurück zu leiten. Der Anschluss 60 besitzt einen Teil, der in die Leitung in einem Abstand von deren Wand mündet, um eine Gasprobe zu entnehmen, deren Zusammensetzung repräsentativ für die des Gasstroms ist.
Die Installation der Einrichtung 58 ist vorteilhaft, denn durch das Vorsehen von zwei Trennventilen an jedem der Anschlüsse 60, 62 ist es einfach, die Einrichtung zum Beispiel zu Wartungszwecken abzunehmen, ohne die Zirkulation des Gases in der Leitung zu unterbrechen und indem mit der Messung des Gasvolumens V(P,T) fortgefahren wird.
4 veranschaulicht eine Variante der Bestimmungseinrichtung 63 für den Brennwert, bei der die Quelle 64, die Filter- und die Erfassungsmittel 66 auf der gleichen Seite der Einrichtung untergebracht sind.
Ein zum Beispiel sphärischer Spiegel 68 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Einrichtung vorgesehen, um die von der Quelle kommende Strahlung zu den Mitteln 66 zu reflektieren. Eine gasgefüllte Kammer 70 ist zwischen dem Spiegel 68 einerseits und der Quelle 64 und den Mitteln 66 andererseits angeordnet.
Zwei Anschlüsse 72, 74 sind dafür vorgesehen, das Gas der Kammer 70 zuzuführen und daraus abzuleiten.
Diese Einrichtung kann wie die Einrichtung 52 der 1 direkt angebracht werden. Es könnte jedoch ins Auge gefasst werden, sie wie die Einrichtung 14 zu platzieren, indem die Kammer 70 und die Anschlüsse 72, 74 weggelassen werden, da in diesem Fall der Gasstrom aus der Leitung direkt zwischen dem Spiegel 68 und der Quelle 64 und den Mitteln 66 fließen würde.
Man könnte die Einrichtung ebenso an einem anderen Ort in dem Fluidoszillator selbst und zum Beispiel am Ort des schlitzförmigen Eintritts 24 installieren.

Claims

Vorrichtung (10) zur Messung der Wärmeenergie, die in einem durch eine Leitung (16) transportierten, brennbaren Gas enthalten ist, mit: – einem Gaszähler (12), der bei den Bedingungen für Druck P und Temperatur T ein Gasvolumen V des in der Leitung zirkulierenden Gases misst, und – einer Einrichtung (14; 52; 63) zur Bestimmung des Brennwerts H des Gases, wobei die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert zumindest eine physikalische Größe misst, die proportional zur Anzahl von Molekülen der unterschiedlichen Bestandteile des Gases in einem gegebenen Volumen ist, und in der Nähe des Gaszählers platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung Mittel enthält, um direkt den Brennwert H(P,T) unter den Bedingungen für Druck P und Temperatur T zu bestimmen, die gleich denjenigen sind, unter denen das Gasvolumen V(P,T) gemessen wird, und dass die Vorrichtung Mittel umfasst, dann die in dem Gas enthaltene Wärmeenergie H(P,T)V(P,T) zu bestimmen, ohne dass das Volumen V(P,T) zuvor für Temperatur und Druck korrigiert wurde, wobei die durch die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert H(P,T) gemessene Größe der Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen in dem Gas vorherrschend vorhandenen, brennbaren Bestandteil für zumindest eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungseinrichtung (14; 52; 63) für den Brennwert H(P,T) des Gases den Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch weitere in dem Gas vorhandene brennbare Bestandteile für andere Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung misst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die verschiedenen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung so ausgewählt werden, dass sie jeweils dem Beitrag eines einzigen brennbaren Bestandteils entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung dem Beitrag mehrerer brennbarer Bestandteile entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bestimmungseinrichtung für den Brennwert H(P,T) des Gases auf zumindest einem Abschnitt der Gasströmung folgendes umfasst: – zumindest eine Quelle (32; 54; 64) zur Emission der elektromagnetischen Strahlung durch den Gasströmungsabschnitt, – Filtermittel (36; 38; 66) für die Strahlung; – Erfassungsmittel (36; 44; 66) für die durch Absorption aufgrund des (der) brennbaren Bestandteils(e) des Gases für die entsprechende(n) Wellenlänge(n) geschwächte Strahlung, die ein für diese Strahlung repräsentatives Signal für jede betreffende Wellenlänge liefern, und – elektronische Mittel (18), um daraus den Brennwert des Gases sowie die in dem Gas enthaltenen Energie H(P,T)V(P,T) abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Filtermittel (36; 38; 66) für die Strahlung ein (oder mehrere) Interferenzfilter umfassen, das (die) jeweils für eine andere Wellenlänge der Strahlung geeignet ist (sind), für die zumindest einer der Bestandteile des Gases eine Absorption aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Filtermittel für die Strahlung ein Filter (38) umfassen, das elektrisch auf einen Wellenlängenbereich abstimmbar ist, der zumindest eine Wellenlänge enthält, für die der (die) Bestandteil(e) des Gases eine Absorption aufweist (en).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die elektromagnetische Strahlung so gewählt wird, dass die Neutralgase (N₂, O₂, CO₂) diese Strahlung nicht absorbieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optische Strahlung im Infraroten liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 9, wobei der Wellenlängenbereich, der eine (mehrere) Wellenlänge(n) enthält, für die der (die) Bestandteil (e) des Gases aufweist eine Absorption(en), die zwischen 1 und 12 μm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei Methan als Bestandteil des Gases für die Bestimmung des Brennwerts verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Ethan als Bestandteil des Gases für die Bestimmung des Brennwerts verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Propan als Bestandteil des Gases für die Bestimmung des Brennwerts verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei Butan als Bestandteil des Gases für die Bestimmung des Brennwerts verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei Pentan als Bestandteil des Gases für die Bestimmung des Brennwerts verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das brennbare Gas Erdgas ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Einrichtung (14; 52; 63) zur Bestimmung des Brennwerts H(P,T) des Gases in den Gaszähler (12) integriert ist.
Verfahren zum Messen der Wärmeenergie, die in einem durch eine Leitung (16) transportierten, brennbaren Gas enthalten ist, das darin besteht: – bei den Bedingungen für Druck P und Temperatur T ein Gasvolumen V des in der Leitung zirkulierenden Gases zu messen, – den Brennwerts H des Gases zu bestimmen, wobei das Verfahren darin besteht, bei den Bedingungen für Druck P und Temperatur T, die diejenigen sind, bei denen das Gasvolumen V(P,T) gemessen wird, zumindest eine physikalische Größe zu messen, die proportional zur Anzahl von Molekülen der unterschiedlichen Bestandteile des Gases in einem gegebenen Volumen ist, und in der Nähe des Gaszählers platziert ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst: – direkte Bestimmung des Brennwerts H(P,T) unter den gleichen Bedingungen für Druck P und Temperatur T auf der Basis der Messung zumindest einer physikalischen Größe, – Bestimmung der in dem Gas enthaltene Wärmeenergie H(P,T)V(P,T), ohne dass das Volumen V(P,T) zuvor für Temperatur und Druck korrigiert wurde, wobei die gemessene Größe der Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch zumindest einen in dem Gas vorherrschend vorhandenen, brennbaren Bestandteil für zumindest eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das darin besteht, den Absorptionsgrad einer elektromagnetischen Strahlung durch weitere, in dem Gas vorhandene, brennbare Bestandteile für unterschiedliche Wellenlängen der Strahlung zu messen.
Verfahren nach Anspruch 19, das darin besteht, die Wellenlänge(n) der elektromagnetischen Strahlung so auszuwählen, dass jeder von ihnen der Beitrag eines einzigen brennbaren Bestandteils entspricht.
Verfahren nach Anspruch 19, das darin besteht, die Wellenlänge(n) der elektromagnetischen Strahlung so auszuwählen, dass jeder von ihnen der Beitrag von mehreren brennbaren Bestandteilen entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, das darin besteht: – eine elektromagnetische Strahlung durch zumindest einen Teil des Gasstroms zu emittieren, – die Strahlung zu filtern, – die durch die Absorption aufgrund des (der) brennbaren Bestandteils(e) für die entsprechende(n) Wellenlänge(n) geschwächte Strahlung zu erfassen und ein für diese Strahlung repräsentatives elektrisches Signal für jede betreffende Wellenlänge zu liefern, und – auf der Basis des Signals oder der Signale den Brennwert des Gases sowie die in dem Gas enthaltene Energie H(P,T)V(P,T) zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die elektromagnetische Strahlung so gewählt wird, dass die Neutralgase (N₂, O₂, CO₂) diese Strahlung nicht absorbieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, wobei die optische Strahlung im Infraroten liegt.