MXPA00006940A - Metodo y aparato para medir la densidad relativa de un gas. - Google Patents
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Abstract
Un aparato (2) que comprenda una camara (4) para la cual un gas en cuestion por ejemplo, gas natural, es suministrado a traves de una entrada (6) y sale a traves de la salida (8). La velocidad de sonido SoS a temperatura ambiente, se mide utilizando cualquier metodo adecuado tal como medios de control y calculo electronico (14) y un emisor de ultrasonido (10), un receptor de ultrasonido (12). Las temperatura ambiente Ta se observa mediante el sensor de temperatura (22), y un sensor de conductividad termica mide la conductividad termica de gas en dos diferentes temperaturas superior a la temperatura ambiente. Un valor ThCH de la conductividad termica, se mide a 70°C arriba de la temperatura ambiente, y el otro valor ThCL de la conductividad termica se mide a 50°C superior a la temperatura ambiente. El medio de control (14) calcula, la densidad relativa RD del gas, de acuerdo con la formula RD = g. ThCH + h.ThCL + i.SoS +j.Ta + kTa° + 1, en donde /g, h, i, j, k y l) son constantes.
Description
MÉTODO Y APARATO PARA MEDIR LA DENSIDAD RELATIVA DE UN GAS
Campo del Invento La presente invención se refiere a un método para medir el valor de densidad relativa de un gas.
Antecedentes del Invento La densidad relativa es un número sin dimensión, el gas puede ser un gas combustible por ejemplo, gas natural, el gas natural puede ser metano y puede comprender adicionalmente nitrógeno y/o bióxido de carbono, además del metano el gas natural puede comprender por lo menos otro gas de hidrocarburo, por ejemplo, etano, propano, butano, pentano o hexano.
Sumario del Invento De acuerdo a un primer aspecto de la presente invención, un método para medir la densidad relativa de un gas comprende el tomar una medida de la velocidad del sonido en el gas, tomar una medida de una primera conductividad térmica del gas a una primera temperatura, tomar una medida de una segunda conductividad térmica del gas a una segunda temperatura la cual difiere de la primera temperatura, y utilizando la velocidad del sonido de la primera y la segunda conductividades térmicas, en una operación que produce la densidad relativa del gas, correspondiente a dicha velocidad del sonido de dichas primera y segunda conductividades térmicas, de acuerdo a un aspecto adicional a la presente invención, un aparato para tomar la medida de la densidad relativa de un gas comprende medios para tomar la medida de la velocidad del sonido en el gas, medios para tomar una medida de una primera conductividad térmica del gas, a una primera temperatura, medios para tomar una medida de una segunda conductividad térmica del gas, a una segunda temperatura la cual difiere de la primera temperatura y medios para utilizar la velocidad de sonido y la primera y segunda conductividades térmicas en una operación que produce la densidad relativa del gas correspondiente, a dicha velocidad del sonido y a dichas primera y segunda conductividades térmicas.
Breve Descripción de los Dibujos La presente invención ahora será descrita adicionalmente, por ejemplo, con referencia a los dibujos que la acompañan en los cuales:
La Figura 1 , muestra en forma de diagrama una aparato en el cual se lleva a cabo la presente invención.
La Figura 2, muestra un ejemplo en forma de diagrama de un sistema de control, de alimentación delantera aire/gas combustible que se utiliza en la presente invención.
Con referencia a la Figura 1 , un aparato 2 para medir la densidad relativa del un gas tiene una cámara 4 en la cual el gas es suministrado a través de un conducto de entrada 6 y sale a través de un conducto de salida 8. El conducto de entrada 6 incluye un medio de intercambio de calor 6a por ejemplo, una bobina de cobre mediante la cual la temperatura del gas que entra puede ser ajustada a un valor substancialmente igual al de la temperatura ambiente de la atmósfera externa mediante la cual el gas en la cámara 4 es de una temperatura substancialmente uniforme. La cámara 4 incluye un transductor emisor de ultrasonido 10 y un transductor receptor de ultrasonido 12 un medio de control electrónico 14 que incluye medios de computadora está conectado a un generador de señal de sonido 16 de modo que bajo el control del medio de control 14 el generador de señal origina que el transductor 10 emita señales de ultrasonido 18 según se desee. Las señales el ultrasonido 18 son recibidas por el transductor 12, y su recepción es señalada al medio del control 14 a través de la línea 20. El tiempo de vuelo de las señales ultrasónicas entre los conductores 10 y 12 es medido a través del medio de control 14 el cual está programado para calcular SoS, el cual es la velocidad del sonido en metros/segundos (m/s).
Sí se desea se pueden utilizar algunos otros medios para medir la velocidad del sonido en el gas, tal como se describe en la patente Norteamericana US 4,938,066. S-in embargo, el método más preferible es el que se describe en la solicitud de patente UK No.
GB9813509.8, GB9813513.0 y GB9813514.8. Estas solicitudes describen ei uso de un resonador para medir la velocidad de sonido de un gas dentro del resonador, un circuito electrónico de conducción el cual puede incluir o puede estar en la forma de un microprocesador, que está colocado para producir una señal sinusoidal en un rango adecuado de frecuencias para conducir un altavoz. El altavoz está colocado para aplicar una señal acústica al interior de un resonador. Un micrófono está colocado para detectar la magnitud de la señal acústica dentro del resonador la señal del micrófono es filtrada y amplificada mediante un circuito electrónico adecuado y un medio de procesador determina la frecuencia de resonancia relacionada con el gas dentro del resonador para determinar su velocidad de sonido, un sensor de temperatura 22 que se encuentra en la cámara 4, proporciona el medio de control con datos en la línea 24 representando el valor de la temperatura ambiente el sensor de temperatura 22 puede ser parte de un sensor de conductividad térmica 28 que comprende medios de observación de la conductividad térmica. El sensor de conductividad térmica 28, puede ser un microsensor de conductividad térmico miniatura modelo tipo TCS208, disponible en Hartman & Braun AG de Frankfurt am Main, Alemania. El medio de observación de conductividad térmica 30 para observar la conductividad térmica del gas, tiene un medio de calentamiento el cual en respuesta a las señales en línea 32 del medio de control 14, puede operar a más de una temperatura deseada seleccionada arriba de la temperatura ambiente observada por el sensor 22, y una señal representativa de la conductividad térmica del gas en la temperatura deseada, es enviada al medio de control en línea 34. El medio de control 14 está colocado para originar que ei sensor de conductividad térmica 28 mida la conductividad térmica del gas en dos diferentes temperaturas deseadas tp y t?_ en las cuales tH es un número de grados de temperatura deseados previamente determinados ti arriba de la temperatura ambiente observada por el sensor 22 y ÍL es un número de grados de temperatura deseados previamente determinados t2, arriba de la temperatura ambiente; siendo el número t . mayor que el número t2. Utilizando los valores observados medidos de la velocidad de sonido en el gas, la conductividad térmica del gas en temperatura
ÍH y ÍL y el valor de la temperatura ambiente del gas observada mediante el sensor 22, el medio de control 14 calcula la densidad relativa del gas utilizando la fórmula RD = g. ThCw + h.ThCt. + i. SoS
+ j.Ta + k.Ta2 + 1 (I) En la cual RD es la densidad relativa; TIICH es la conductividad térmica del gas a temperatura tp; TIICL es la conductividad térmica del gas a temperatura t ; SoS la velocidad de sonido del gas a temperatura ambiente; Ta es la temperatura ambiente del gas, observada por el sensor 22; y.... g, h, i, j, k y I son constantes respectivas.
El gas en cuestión, puede ser una mezcla de dos o más gases en la cual la composición de la mezcla puede ser de proporciones variables. Por ejemplo, el gas en cuestión puede ser un gas combustible. Dicho gas combustible puede ser gas natural. El gas natural puede comprender metano y por lo menos un etano, propano, butano, pentano, hexano, y puede comprender adicionalmente nitrógeno y/o bióxido de carbono. Con el objeto de derivar las constantes g, h, i, j, k, y I que se encuentran en la ecuación (I), se puede utilizar la técnica matemática conocida como análisis de regresión, con respecto a los datos recolectados de acuerdo con el gas en cuestión. Las proporciones de gases en la mezcla, pueden ser variadas para formar un número de muestras diferentes. Al utilizar métodos cromatográficos se obtiene la densidad relativa RD de una muestra, se mide la temperatura ambiente TA de la muestra y se mide las actividades térmicas thCp y ThCi. de la muestra. Esto se lleva a cabo para cada muestra para obtener a la vez un grupo de valores medidos correspondientes a cada muestra los grupos de valores son insertados en la ecuación (I) y se derivan los valores "más adecuados" para las constantes g, h, i, j, k, y I. En el caso del gas natural que va a tierra en un número de locaciones en el análisis de regresión del Reino Unido, que se llevó a cabo en muestras de diferentes locaciones y también en grupos de equivalencia de gas, los cuales son replicas artificiales en el laboratorio de mezclas de metano y etano, metano y butano, metano y pentano, metano y hexano, en las cuales en el laboratorio, dichas mezclas son representadas por mezclas diferentes de metano y propano.
Cuando se aplicó la ecuación (I) al gas natural y a los grupos de equivalencias de gas y se utilizó el análisis de regresión, se derivaron los siguientes valores para las constantes:- g = 0.017955, h = -0.02812, ¡ = -0.00189, j = 0.001807, k = -0.0000026, y l = 1.73041 , en donde
RD es la densidad relativa del gas en MJ/m3st (Megajoules/metros cúbicos estándar); TIICH es la conductividad térmica del gas en W/m.k ( en donde K son grados en Kelvin) en una temperatura tH la cual es substancialmente 70° Ceisius arriba de la temperatura ambiente Ta;
ThCi. es la conductividad térmica del gas en W/m.k en una temperatura t , la cual es substancialmente 50° Ceisius arriba de la temperatura ambiente Ta;
SoS es la velocidad del sonido en el gas en m/s y Ta es la temperatura ambiente del gas en grados Ceisius.
En la aplicación anterior de la ecuación (I) para el gas natural, el valor de Ti es substancialmente 70°C y el valor de t2 es substancialmente 50°C. por lo tanto la diferencia entre las temperaturas tw y ti-, en las cuales las conductividades térmicas ThCp y ThCi. son medidas, difieren por 20°C substancialmente [(Ta + 70) -(Ta + 50) = 20]. El valor de la densidad relativa RD del gas calculado por el medio de control 14 puede ser mostrado en forma visual y/o impreso o de otra manera registrado mediante medios de registro 36, en respuesta a las señales del medio de control. Mediante cualquier técnica adecuada conocida per se el medio de control 16 puede ser proporcionado con información que representa el valor calorífico RD del gas o el medio de control puede ser proporcionado con información que permite calcular el valor calorífico del gas. El medio de control 14 puede calcular o de otra manera tener, el valor del cv índice Wobbe Wl del gas utilizando la fórmula Wl= /=• . Cuando el gas combustible es combustionado en un proceso ( por ejemplo, estufa, horno, compresor, motor etc.), se utiliza alguna forma de sistema de control para ajustar la proporción oxígeno en (este caso en la forma de aire)/ gas combustible para asegurar una combustión óptima. Se hace una tolerancia en la cantidad de aire en exceso para tomarla en cuenta en partes durante las variaciones en los cambios de composición del gas combustible. Esta tolerancia significa que el proceso está operando en forma menos eficiente de lo que podría debido a que el aire extra está siendo calentado y ventilado. Sin embargo, una medida de la densidad relativa o índice Wobbe, el cual es un indicativo de la calidad del gas combustible y el cual puede ser encontrado de acuerdo con la presente invención, puede ser utilizado en una estrategia de control de alimentación delantera para mejorar la precisión del control disponible y lograr una mejor eficiencia. En la Figura 2 se muestra un aparato para llevar a cabo dicho control. El gas combustible es suministrado a través de un conducto 40, tal como un tubo a un proceso en fundido por gas 41 tal como una estufa un horno un compresor ó un motor y se suministra oxígeno en forma de aire al proceso 41 a través de otro conducto 42. Cualquier aparato adecuado 43 el cual puede estar en la forma de una o más muestras insertadas en forma temporal en el conducto 40, o como uno o más aditamentos permanentes, colocados para medir la velocidad de sonido del gas combustible que pasa a través del conducto 40, las conductividades térmicas del gas ThCp, ThC?_ en dos temperaturas t y tL, y la temperatura ambiente del gas Ta. La velocidad de sonido de SoS del gas combustible, las conductividades térmicas ThCp y ThC y la temperatura ambiente del gas Ta son medidas mediante el aparato 43 y pasados a través de una conexión 44 a un medio de control 45, el cual puede ser, por ejemplo, un microprocesador o una computadora. El medio de control 45 determina la densidad relativa del gas combustible a partir de las medidas recibidas del aparato 43, tal como se explicó anteriormente.
Habiendo determinado una medida de la calidad del gas el medio de control tiene la capacidad para ajustar el punto de ajuste de la proporción aire/gas combustible utilizando un sistema de control de proporción oxígeno/gas combustible 46, 47 para lograr una mejor eficiencia. En este caso el sistema de control oxígeno/gas combustible comprende dos válvulas de apertura variables 46, 47 una en cada uno de los conductos de aire/gas combustible 40, 42 respectivamente, y ambas controladas por el medio de control 45 a través de las conexiones 48 y 49 de manera alternativa el sistema de control oxígeno/gas combustible podría comprender una válvula de apertura variable en solamente uno de los conductos 40, 42.
Claims (27)
1 .- Un método para medir la densidad relativa de un gas que comprende el tomar una medida de una primera conductividad térmica del gas en una primera temperatura, tomar una medida de una segunda conductividad térmica del gas en una segunda temperatura la cual difiere de la primera temperatura y utilizando la velocidad del sonido y la primera y segunda conductividades térmicas en una operación que produce la densidad relativa del gas correspondiente a dicha velocidad del sonido y a dichas primera y segunda conductividades térmicas
2.- Un método tal y como se describe en la Reivindicación 1 , caracterizado además porque la densidad relativa es obtenida mediante un procedimiento que comprende el uso de la fórmula:-RD = g. ThCH + h.ThCL + i. SoS + j.Ta + k.Ta2 + 1 En donde CV es la densidad relativa del gas, En donde TIICH es la primera conductividad térmica del gas en dicha primera temperatura, En donde ThC es la segunda conductividad térmica del gas en dicha segunda temperatura la cual es inferior a dicha primera temperatura, En donde SoS es la velocidad de sonido en el gas en una temperatura ambiente, y En donde Ta es la temperatura ambiente de dicho gas por medio de la cual son medidas dichas conductividades térmicas, siendo la primera y segunda temperatura mayores que dicha temperatura ambiente y en donde g, h, i, j, k y I, son constantes.
3.- Un método tal y como se describe en la Reivindicación 2, caracterizado además porque SoS es la velocidad del sonido en m/s "las conductividades térmicas están en unidades de Watts/metro por grados Kelvin (W/m.k) la temperatura Ta, la primera y segunda temperatura están en grados Ceisius, y la densidad relativa es en megajoules/metros cúbicos estándar (MJ/m3st).
4.- Un método tal y como se describe en la Reivindicación 2, o en la Reivindicación 3, caracterizada además porque el gas es gas combustible.
5.- Un método tal y como se describe en la Reivindicación 4, caracterizado además porque el gas combustible es gas natural.
6.- Un método tal y como se describe en la Reivindicación 3, caracterizado además porque el gas es gas natural que comprende por lo menos un gas de hidrocarburo el cual es metano, y por lo menos un nitrógeno y bióxido de carbono.
7.- Un método tal y como se describe en las Reivindicaciones 2, 3, 4, 5 o 6, caracterizado además porque la primera temperatura es substancialmente 70°C superior a la temperatura ambiente.
8.- Un método tal y como se describe en las Reivindicaciones de la 2 a la 7, caracterizado además porque la segunda temperatura es substancialmente 5°C superior a la temperatura ambiente.
9.- Un método tal y como se describe en las Reivindicaciones 6, 7, u 8, en donde cualquiera de ellas depende de la 6, en la cual: g es substancialmente 0.017955 h es substancialmente -0.02812 i es substancialmente -0.00189 j es substancialmente 0.001807 k es substancialmente -0.0000026, y I es substancialmente 1 .73041 .
10.- Un método para medir la densidad relativa de un gas substancialmente como se describió anteriormente con referencia a los dibujos anexos.
1 1 .- Un método para medir el índice Wobbe del gas utilizando la cv fórmula Wl= rrr en la cual Wl es el índice Wobbe, CV es el valor calorífico del gas y RD es la densidad relativa obtenida a través del método tal y como se describe en cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 10.
12.- Un aparato para medir la densidad relativa de un gas que comprende medios para medir la velocidad de sonido del gas, medios para medir una primera conductividad térmica del gas en una primera temperatura; medios para medir una segunda conductividad térmica del gas en una segunda temperatura, cual difiere de la primera temperatura y medios para utilizar la velocidad de sonido y la primera y segunda conductividades térmicas en una operación para producir la densidad relativa del gas correspondiente a dicha velocidad de sonido y a dicha primera y segunda conductividades térmicas.
13.- Un aparato tal y como se -describe en la Reivindicación 12, caracterizado además por que el valor calorífico es obtenido mediante un proceso que comprende el uso de la fórmula:-RD = g. ThCH + h.ThCL + i. SoS + j.Ta + k.Ta2 + 1 , En donde RD es la densidad relativa del gas, En donde ThCj-i es la primera conductividad térmica del gas en dicha primera temperatura, En donde ThCi. es la segunda conductividad térmica del gas en dicha segunda temperatura, la cual es inferior a dicha primera temperatura, En donde SoS es la velocidad del sonido del gas a temperatura ambiente y, En donde Ta es la temperatura ambiente de dicho gas por medio del cual son medidas las conductividades térmicas, siendo la primera y segunda temperaturas mayores que dicha temperatura ambiente y g, h, i, j, k, y I son constantes.
14.- Un aparato tal como se describe en la Reivindicación 13, caracterizado además porque SoS es la velocidad del sonido en m/s, las conductividades térmicas están en unidades de Watts/metro x grados Kelvin (W/m.k.), la temperatura Ta y la primera y segunda temperatura están en grados Ceisius y la densidad relativa es en megajoules/metros cúbicos estándar (MJ/m3st).
15.- Un aparato tal como se describe en la Reivindicación 13 ó en la Reivindicación 14 caracterizado además porque el gas es gas combustible.
16.- Un aparato tal como se describe en la Reivindicación 15, caracterizado además porque el gas combustible es gas natural.
17.- Un aparato tal como se describe en la Reivindicación 14, caracterizado además porque el gas es gas natural que comprende por lo menos un gas de hidrocarburo el cual es metano, y por lo menos uno de nitrógeno, y de bióxido de carbono.
18.- Un aparato tal como se describe en cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 17, caracterizado además porque la primera temperatura es substancialmente 70°C superior a la temperatura ambiente.
19.- Un aparato tal como se describe en cualquiera de las reivindicaciones de la 13 a la 18, caracterizado además porque la segunda temperatura es substancialmente 50°C arriba de la temperatura ambiente.
20.- Un aparato tal como se describe en la Reivindicación 17, 17, y la Reivindicación 18, o en la Reivindicación 19, caracterizado además cualquiera es dependiente de la Reivindicación 17, en la cual :-g es substancialmente 0.017955, h es substancialmente -0.02812, i es substancialmente -0.00189, j es substancialmente 0.091067, k es substancialmente -0.0000026, y I es substancialmente 1 .73041 .
21 .- Un aparato para medir la densidad relativa de un gas, substancialmente tal como el que se describió anteriormente con referencia a los dibujos anexos.
22.- Un medio de control para ajustar la proporción oxígeno/gas combustible de un proceso encendido por gas que comprende un aparato para medir la densidad relativa de un gas combustible durante el proceso encendido por gas, tal y como se describió en cualquiera de las reivindicaciones de la 12 a la 21 , y medios para ajustar un sistema de control de proporción oxígeno/gas combustible, para el proceso de encendido por gas de acuerdo con la densidad relativa determinada.
23.- Una estufa que comprende medios para recibir un suministro de oxígeno; medios para recibir un suministro de gas combustible; un sistema de control de la proporción oxígeno/gas combustible; y un medio de control tal y como se describe en la Reivindicación 22.
24.- Un horno que comprende medios para recibieron un suministro de oxígeno; medios para recibir suministro de gas combustible; un sistema de control de la proporción oxígeno/gas combustible; y un medio de control tal y como se describe en la Reivindicación 22.
25.- Un compresor que comprende medios para recibir un suministro de oxígeno; medios para recibir un suministro de gas combustible; un sistema de control de la proporción oxígeno/gas combustible; y medio de control tal y como se describe en la Reivindicación 22.
26.- Un motor que comprende medios para recibir un suministro de oxígeno; medios para recibir un suministro de gas combustible; un sistema de control de la proporción oxígeno/gas combustible; y medio de control tal y como se describe en la Reivindicación 22.
27.- Un aparato para medir el índice Wobbe de gas utilizando la fórmula Wl= p¡ en la cual W1 es el índice Wobbe, CV es el valor calorífico del gas y RD es la densidad relativa del gas, obtenida utilizando un aparato tal como el que se describe en cualquiera de las reivindicaciones de la 12 a la 21 .
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