NL7903320A

NL7903320A - Gasanalysator.

Info

Publication number: NL7903320A
Application number: NL7903320A
Authority: NL
Original assignee: Sub Sea Oil Services Ssos
Priority date: 1978-08-04
Filing date: 1979-04-26
Publication date: 1980-02-06
Also published as: DE2917659A1; CA1137631A; GB2027198A; NL191190B; US4280183A; DE2917659C2; GB2027198B; NL191190C; NO791305L

Description

\ 70 7646 _____ _______ _ __ ___ S.S.O.S.Sub Sea Oil Services S,p.A.,

Milaan, Italië.

Gasanalysator .

De uitvinding heeft betrekking op een gasanalysator, welke de meting van de voortplantingssnelheid van het geluid in een uit kooldioxyde en zuurstof bestaand gasmengselgebruikt, om de volume- of gewichtspercentages van de beide bestanddelen te 5 bepalen, onder de enige voorwaarden, dat ook de temperatuur van het gasmengsel bekend is. Se gasanalysator kan ook dan worden gebruikt, wanneer behalve de beide genoemde bestanddelen ook waterdamp aanwezig is, voor zover het gasmengsel verzadigd.is.

De uitvindingsgedachte is aan de behoefte ontspro-10 ten de percentages van de beide genoemde gasbestanddelen in een ternair met waterdamp verzadigd gasmengsel ook dan te kunnen bepalen, wanneer de druk en de temperatuur binnen aanzienlijk brede grenzen kunnen schommelen en in het bijzonder wanneer de waarde van de percentages in een, in vergelijking tot de voorkomende ver-15 anderingen in deze percentages binnen een zo kort mogelijke tijd onderkend kunnen worden. Het tot deze behoefte leidende, speciale geval bestond daarin,*de percentages van kooldioxyde en zuurstof in het aanzuigmengsel van een door uitsluitend onder waterbedrijf bestemde verbrandingsmotor met terugvoer van de uitlaatgassen, 20 te meten. Het kennen van deze percentages is namelijk onontbeerlijk, opdat de in de kringloop van de verbrandingsmotor toe te voe- -ren zuurstofstroom zodanig geregeld kan worden, dat het percentage zuurstof in het gasmengsel zijn optimale waarde krijgt.

De tot nog toe bekende gasanalysatoren bieden deze 25 mogelijkheden niet, en wel op de navolgende gronden: de grootte van het te meten percentage kan niet ogenblikkelijk onderkend worden, in tegendeel, men kan de daarvoor benodigde tijd van enkele tientallen seconden niet verder bekorten; 30 'de informatie omtrent de grootte van het percenta- · ^ /903320 w: v\ .

X' v > 2 * ge van een bestanddeel in het gasmengsel staat in nauw verband met de waarde van de betreffende druk en dus moet deze waarde met voldoende nauwkeurigheid bekend zijn; anderzijds moet ook de tweede informatie, d.w.z. de grootte van het percentage van het tweede 5 gas afzonderlijk bepaald worden; dit betekent, dat men bij deze twee mogelijkheden over twee gasanalysatoren moet beschikken, hetgeen uiteraard technisch gecompliceerd is en een vermindering van de betrouwbaarheid verbonden is; een storingsvrij werken met de conventionele gas-10 analysatoren hangt van het temperatuurniveau van het gasmengsel af; bij temperaturen, waarvan de waarde een bepaalde grensover-schrijdt, bezitten de in de in de praktijk verkregen informaties aanzienlijke fouten; bovendien moeten voldoend zuivere gassen ter be- 15 schikking staan.

De behoefte, de besproken moeilijkheden te ondervangen, heeft ertoe geleid, dit probleem volgens een geheel andere principe te benaderen.

Bij een gasanalysator voor de ogenblikkelijke me-20 ting van het percentage van de bestanddelen van een binair, uit kooldioxyde en zuurstof bestaand, resp. ternair, ook verzadigde waterdamp bevattend gasmengsel, dat in het bijzonder voor de brand-stoftoevoer naar een verbrandingsmotor voor uitsluitend onderzee-bedrijf bestemd is, wordt dit probleem volgens de uitvinding opge-25 lost door een meetinrichting voor het meten van de temperatuur T van het gasmengsel, door een meetinrichting voor het meten van de geluidsnelheid 7 in het gasmengsel en door een rekenwerk voor het berekenen van de waarde van de verhouding 7^/T of een daarmede evenredige waarde.

30 Het door de onderhavige uitvinding opgeloste pro bleem berust op het principe, dat de geluidsnelheid in een continu gasvormig medium -afhangt van de eigenschappen van het gas en van de temperatuur volgens de navolgende betrekking: 7 -\/psr 35 waarbij, ^ /903320 S·^ 0 4 3 Y~ voortplantingssnelheid van geluid in het gasmengsel (m.sec. ), ¥= verhouding ο / ct van de specifieke warmte bij constante druk

p V

tot de specifieke warmte bij constant volume van het gasmengsel, 2 -2 d —1 R= karakteristieke constante van het gasmengsel (m .sec . K ), 5 f= absolute temperatuur van het gasmengsel (¾).

Uit de temperatuur van het gasmengsel en uit de geluidsnslheid kan de waarde van de grootheid H = T2 /T

afgeleid worden, welke een funktie van de kenmerken van het gas- 1 10 mengsel, d.w.z. het percentage van de bestanddelen is, welke bekende natuurkundige en thermodynamische eigenschappen hebben.Se waarde van deze percentages staan dus rechtstreeks en gelijktijdig ter beschikking.

In het geval van een gasmengsel met twee bestand-15 delen (kocidioxyde en zuurstof) geldt namelijk de betrekking: - ‘f-j P-j + R- P2, waarbij de index 1 resp. 2 betrekking hebben op het eerste, resp. tweede gas en p., resp. op het gewichtspercentage van het eerste, resp. tweede gas.

20 In het geval van een ternaire gasmengsel, dat ook verzadigde waterdamp met een gewichtsprocent p^ bevat, waarbij voor de drie bestanddelen de betrekking -^R = ^ R1 p1 + t2 R2 p2 + Y'j R^ geldt, kan op eenvoudige wijze tot het bovenbedoelde geval terug-25 gevoerd worden, omdat de temperatuurwaarde de bepaling van het in het gasmengsel aanwezige watergehaite mogelijk maakt en dus weder- . -om uit de temperatuur en uit de geluidsnelheid de waarde van de percentages van debeide andere bestanddelen verkregen kunnen worden.

30 De nauwkeurigheid van de door de gasanalysator volgens de uitvinding geleverde gegevens staat in nauw en uitsluitend verband met de nauwkeurigheid van de gemeten temperatuur en de gemeten voortplantingssnelheid van het geluid. De beide aeet-grootheden kunnen met behulp van de door de moderne stand van de * 35 techniek ter beschikking staande middelen op betrouwbare en nauw- \ \ 7903320 4 keurige wijze, in het bijzonder zonder tijdverlies, gemeten worden.

Met het oog op de mogelijkheden van de gasanalysa-tor volgens de. uitvinding zij in het bijzonder op de navolgende 5 voordelen gewezen: de gasanalysator werkt bij elke willekeurige druk, waarbij.bovendien het meetresultaat zelf onafhankelijk van de druk is, werkt bij elke willekeurige temperatuur, wanneer 10 slechts de waarde van die temperatuur zelf bekend is, levert een extra snelle en nauwkeurige informatie omtrent het te bepalen percentage, geeft met de enkele informatie omtrent het procentuele zuurstofgehalte gelijktijdig door verschilvorming oo£ de 15 tweede informatie (omtrent het procentuele gehalte aan kooldioxyde), en werkt storingsvrij ook bij niet volkomen zuivere gassen, zoals dit het geval is bij uitlaatgassen van de verbrandingsmotor.

20 Bij de gasanalysator volgens de uitvinding is de meetinrichting voor het meten van de temperatuur bij voorkeur een digitaal-temperatuurtaster.

Bij voorkeur wordt de meetinrichting voor het meten van de voortplantingssnelheid van het geluid in het gasmengsel 25 een ultrageluid-geyer en een ultra-geluidontvanger. Daarbij is het doelmatig wanneer de ultrageluidgever door een generator voor het produceren van een elektrisch, ultrageluidfrequent, wissel-grootheid en een elektro-acoustische omzetter gevormd wordt, wanneer de ultrageluidontvanger door een acoustisch-elektrische om-30 zetter, bij voorkeur met een daarachter geschakelde versterker wordt gevormd en ten opzichte van de elektro-acoustische omzetter eenconstante afstand heeft, en wanneer een fasecomparator de fase van de door de generator voor het produceren van een elektrisch ultrageluidfrequent wisselgrootheid geleverde signalen met 35 de ffase van de door de acoustisch-elektrische omzetter ontvangen 79 0 33 2 0 t 5 signalen vergelijkt.

Bij voorkeur is het rekenwerk voor het berekenen van de waarde van de verhouding 7 /ï of van een daarmede evenredige waarde door een microprocessor gevormd, waarvan de invoer-5 gegevens door het uitgangssignaal van de thermometer en het uitgangssignaal van de fasecomparator voorgesteld worden.

Aan de hand van de tekening zal een uitvoerings-voorceeld van een gasanalysator volgens de uitvinding nader worden beschreven, waartoe de uitvinding uiteraard niet beperkt is.

10 In de tekening is een vereenvoudigd blokschema weergegeven, waarin een digitaal-temperatuurtaster 1 is opgenomen, welks ertoe dient, de temperatuur T van een uit kooldioxyde en zuurstof bestaand, met waterdamp verzadigd gasmengsel te meten, dat als hoofdgas naar de brandstoftoevoer van een in de tekening 15 niet nader weergegeven dieselmotor met terugvoer van de uitlaatgassen voor uitsluitend onderzeebedrijf toepassing vindt. De stromingsrichting van het te analyseren gasmengsel is doorpijlen aangeduid. Een elektrische generator 2, welke een ultrageluid-fre<iuente wisselspanning, bijv. van 40 kHz levert, is enerzijds 20 met een elektro-acoustische omzetter 3 en anderzijds met de ingang van een fasecomparator 4 verbonden. De door de elektro-acoustische omzetter 3 uitgezonden ultrageluidgoiven worden door een aeoustisch elektrische omzetter 5 opgevangen, welke deze opnieuw in een elektrische wisselspanning omzet. Deze laatste wordt naar 25 de ingang van een versterker 6 gevoerd, waarvan de uitgang met de tweede ingang van de fasecomparator 4 in verbinding staat.

De fasecomparator 4 vergelijkt dus de fase van de door de generator 2 geleverde signalen met de fase van de door de acoustische elektrische omzetter 5 ontvangen signalen dus, aan-30 gezien de omzetter 3 en 5 sen bepaalde onderlinge afstand hebben, is het signaal aan de uitgang van de fasecomparator 4 direkt evenredig aan de snelheid Y waarmee de ultrageluidsgolven zich in het te analyseren gasmengsel voortplanten.

Het uitgangssignaal van de digitaal-temperatuur- “ 0 35 taster 1 en het uitgangssignaal van de fasecomparator 4 vormen de 7903320 6 * wezenlijke invoergegevens voor een microprocessor 7· De waarde van de grootheid is in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld vooreen gescheiden reeks procentuele waarden van het zuurstofgehalte en van de temperatuurswaarden vooraf berekend. Deze voor-5 af berekende waarden worden in een accumulator 8 opgezameld. De microprocessor 7 berekent de betreffende verhouding v /T= ΓΗ» vergelijkt deze waarde met de in de verzamelaar 8 aanwezige gegevens en levert als resultaat van deze vergelijking een digitaal uitgangssignaal, dat direkt het procentuele zuurstofgehalte aan-10 geeft.·

Het digitale uitgangssignaal van de microprocessor 7 vormt de ingangsinformatie voor een inde tekening niet nader weergegeven elektrische gegevens verwerkende regelinrichting, welke tot taak heeft, de extra aan het gasmengsel toe te voeren zuur-15 stofhoeveelheid, opdat de optimale samenstelling van het gasmengsel in de aanzuigbuis wordt verkregen.

Hetzelfde digitale uitgangssignaal van de microprocessor 7 maakt ook een rechtstreekse aflezing van het procentuele zuurstofgehalte mogelijk en kan naar wens met behulp van een 20 digitaal-analoog-omzetter D/A in de dienovereenkomstige analoog- \ signaal omgezet worden.

Een ijkinrichting 9 schept de mogelijkheid, naar de microprocessor 7 sen extra ijksignaal toe te voeren, dat een vereffening van de gasanalysator volgens de uitvinding afhanke-

N

25 lijk van de werkelijke constante afstand tussen de beide omzetters 3 en 5 mogelijk maakt.

790332Θ \

Claims

1. Gasanalysator voor het ogenblik meten van de percentages van de bestanddelen van een binair, uit kocldicxyde en zuurstof bestaand, resp. ternair, ook verzadigde waterdamp 5 bevattend gasmengsel, dat in het bijzonder voor de brandstoftoevoer naar een verbrandingsmotor voor uitsluitend onderwaterbedrijf bestemd is, gekenmerkt door een ceetinrichting voor het meten van de temperatuur T van het gasmengsel, door een meetinrichting voor het meten van de voortplantingssnelheid Y van het geluid in het 10 gasmengsel en door een rekenwerk voor het berekenen van de waarde p van de verhouding 7/T of een daarmee evenredige waarde,

2. Gasanalysator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de meetinrichting voor het meten van de temperatuur van het gasmengsel doelmatig een digitaal-temperatuurtaster (l) is. 15

3· Gasanalysator volgens conclusie 1, met het ken merk, dat de meetinrichting voor het meten van de voortplantingssnelheid van het geluid in het gasmengsel een ultrageluidgever (2, 3) bevat.

4. Gasanalysator volgens conclusie 3> ®et bet ken-20 merk, dat de ultrageluidgever (2, 3) door een generator voor het produceren van een elektrische ultrageluidfrequente wisselgroot-heid (2) en een elektro-acoustische omzetter (3) gevormd wordt.

5. Gasanalysator volgens conclusie 4» gekenmerkt door een ultrageluidontvanger, welke door een acoustische-elektri- 25 sche omzetter (5) bij voorkeur met een daarachter geschakelde versterker (6) gevormd wordt en ten opzichte van de elektro-acous-tische omzetter (3) een constante afstand heeft.

6. Gasanalysator volgens conclusies 1-5» gekenmerkt door een fasecomparator (4)» welke de fase van de door de 30 generator voor het produceren van een elektrische ultrageluidfrequente wisselgroctheid (2) geleverde signalen met de fase van de door de acoustische elektrische omzetter (3) ontvangen signalen vergelijkt.

7. Gasanalysator volgens conclusies 1-6, met het 35 kenmerk, dam het rekenwerk voor het berekenen van de waarde van 7903320 de verhouding V^/T of een daarmee evenredige waarde een microprocessor (7) is, waarvan de ingangsgegevens door het uitgangssignaal van de temperatuurtaster (1) en het uitgangssignaal van de fasecomparator (4) gevormd zijn.

8. Gasanalysator volgens conclusies 1-7, geken merkt door een ijkinrichting (9) waardoor aan de microprocessor (7) een extra ijk-signaal wordt toegevoerd, welke een vereffening van de gasanalysator afhankelijk van de werkelijke constante afstand tussen de heide omzettere (3, 5) mogelijk maakt. ψ 7903320 7