NO179689B - Direktekoblet energiströmmåleinnretning og fremgangsmåte for måling av energi i en naturgass - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og innretning for å måle energien i brenngass omfatter en faststoffelektrolytt-oksygenpumpe for å generere en mengde oksygen som svar på strømmen som blir tilført pumpen. En prøve av gassen blir blandet med oksygenet fra pumpen for å fremstille en blanding som blir gjenstand for fullstendig forbrenning i en katalytisk forbrenner. En oksygensensor er knyttet til den katalytiske forbrenneren for å måle overskudd oksygen i eksosgassen fra forbrenneren. Et signal fra oksygensignalet blir sammenlignet med en kjent og ønsket mengde overskudd oksygen i eksosgassen. Hvis det ; er for mye eller for lite oksygen i eksosgassen, blir et feed back-signal anvendt for å Justere mengden strøm som blir tilført oksygenpumpen inntil den virkelige mengden med overskudd oksygen er lik den utvalgte mengden overskudd oksygen. Den valgte mengden overskudd oksygen er indikasjon på fullstendig forbrenning av prøveblandingen. Med. overskudd oksygen som er likt det ønskede oksygenet i eksosgassen, blir mengden strøm som tilføres pumpen anvendt til å beregne energien i brennstoffprøven.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt elektrokjemiske måleteknikker, og særlig en ny og hensiktsmessig fremgangsmåte og innretning for å måle energiinnholdet i forbrennings-gasser (avgass).

Energistrøm er den viktigste parameteren når naturgass "blir solgt eller kjøpt. Kunden er interessert i hvor mye varme-energi man kan få fra gassen som er kjøpt. Selgeren har vanligvis en kontraktmessig avtale å tilføre et kjent minimum energiinnhold i hver volumenhet gass. For å tilfreds-stille dette innholdet frembringer produsenten typisk en høyere verdi for å kompensere for feil i målesystemet. Flere parametere eller variable må bli målt innenfor nåværende måleteknologi. Hver måling har sitt eget feilbidrag. Energistrøm blir nå ikke målt direkte, men blir beregnet ved å ta en off-line-prøve til et kalorimeter eller gasskromato-graf for en spesifikk energimåling. Dette blir anvendt i forbindelse med volumstrøm, temperatur, trykk, etc, for å regne ut en energistrøm. Dette er en omfattende prosess som krever stor, kostbar instrumentering. Denne implementeringen utnytter en uttappet fraksjon av den samlede strømmen. Denne fraksjonen blir innført inn i et forbrenningssystem sammen med en kontrollert luftmengde. En støkiometrisk forbrennings-sensor måler ytelsen. Dens ytelse blir anvendt ved et element som justerer luftavleveringssystemet. Forbrenningsluft-strømmen blir målt og energistrømmen blir beregnet fra luftstrømmen og kalibreringen av den av-splittede fraksjonen eller forholdet. Se Griffis, C.H., et al. "Development of an Accurate Energy Flowmeter", Gas Qualit<y>. utgitt av van Rossum, G.J., Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 22.-25. april 1986, side 121-127.

På sidene 77, 78 i Heyne, L. , "Some Properties and Appli-cations of Zirconia-based Solid-Electrolyte Cells", Proe Interdisp Symposium. 1974, side 65-88, blir anvendelse av en kombinasjon av en oksygenpumpe og sensor som en analysator til forbrennbare gasser diskutert. Den avhenger av forbrenning ved en pumpecelle. Oksygenet som blir introdusert blir regulert slik at det er akkurat det som behøves til fullstendig forbrenning av de forbrennbare gassene som er tilstede. Strømmen eller ladningen som blir anvendt til å pumpe oksygen er således et mål på de forbrennbare gassene.

Et apparat er beskrevet i Vizethum, F., Bauer, G. , and Tomandl, G. , "Computer-Control of Oxygen Partial Pressure", Science and Technology of Zirconia II ( Proceedings of the Second International Conference, sidene 631 til 635, der oksygenpartialtrykket blir regulert av en zirkoniumoksid-faststoff-elektrolyttcelle og en oksygensensor av samme materiale. Denne partialtrykk-kontrollen blir anvendt i et gasstitreringssystem.

Haaland, D.M., "Internal-Reference Solid-Electrolyte Oxygen Sensor", Analytical Chemistr<y>. vol. 49, nr. 12, oktober 1977, side 1813-1817, diskuterer en elektrokjemisk pumpeoksygen-sensor med en monitorseksjon og en pumpeseksjon. Denne typen anvender i hovedsak en liten lekkasje fra gassen som blir målt og en pumpe for å tømme oksygenet som kommer inn i cellen. En måling av pumpestrømmen gir et mål på oksygenet som lekker og således et mål på oksygenet i strømmen som blir målt. Denne typen ble utviklet til bruk i selvbevegende anvendelser.

US-patent 4,841.934 diskuterer anvendelse av en oksygenpumpeinnretning i forbindelse med en oksygensensor for å kontrollere luft-drivstofforholdet i en motor. Denne anvender en kombinasjon av en oksygenpumpeinnretning og en oksygenfølende innretning, en dobbel Zr02-konfigurasjon. Denne modifiserer i hovedsak operasjonsområdet for oksygenkonsentrasjon til sensoren ved å forbedre signalkaraktertrekkene i sensoren på sitt ønskede opereringspunkt.

Faststoffoksygenkilder er tilgjengelige. Disse kan være metalloksider der oksygen blir frigjort ved oppvarming av materialet. Speidel, R., og Weidlich, E-R, "Å solid state oxygen source for UHV", Vacuum, nr. 2, 1988, sidene 89 til 92, diskuterer en innretning for å benytte CuO som faststoff-kilden. Her blir et konstant partialtrykk oksygen generert ved å påføre varme til materialet, og dette forårsaker at materialet dekomponerer. Partialtrykket er en funksjon av varmen som blir påført materialet. Dette frigjør så en kontrollert, liten mengde oksygen. Dette i sin tur er en selv-inneholdende kilde for oksygenpumpen til bruk ved at den avleverer en kontrollert, kjent mengde oksygen til flyt-strømmen på innsiden av energisensorarrangementet.

En direktekoblet, reelltid enkel sensormetode blir foretrukket i forhold til de som anvender et antall målinger der en eller flere av målingene blir gjort off-line. Den indirekte metoden beskrevet over krever at mange parametere blir målt. Hver måling er forbundet med en feil som bidrar til feilnivået i det samlede målesystemet (Wilde, D. , og Arcara, S. , "Modern Energy Flow Measurements", Advances in Instrumentation. Proceedings of the ISA International Conference and Exhibit, 1984, 22.-25. oktober, side 1345-1349). Foreliggende oppfinnelse anvender ikke det store kostbare utstyret som er krevet i referansene nevnt over, men det anvendes en mer direkte målingsteknikk. Den virkelige energistrømmen i en kontrollert fraksjon av den samlede strømmen blir målt i oppfinnelsen, i motsetning til målinger av flere strømningsparametere slik som volumstrøm, trykk, temperatur, etc, og beregning av energistrømmen som i tidligere teknikk.

Operasjonen i en enkel elementmåte slik som en brenselcelle, resulterer i elektrodeproblemer forårsaket av fullstendig uttømming av oksygen på overflaten til elektrolytten (Logthetis, E.M., Vassell, W.C., Hetrick, R.E., og Kaiser, W.J., "A High-Sensitivity Sensor for the Measurement of Combustible Gas Mixtures", Transducers ' 85: 1985 International Conference on Solid State Sensors and Actuators. IEEE, 1985, side 330-332). Også drivstoffeellene opererer på mindre enn 100$ effektivitet. For å anvende dem kreves mange trinn for å komme til et punkt der alt det brennbare materialet er oppbrent og målt. En implementering utnytter en to-elementkonfigurasjon med en pumpe og en sensor (se Heyne, på sidene 77, 78). Denne implementeringen tilfører en katalytisk omdanner til systemet for å forsikre at alt materialet er forbrent. Dette sikrer en høy nøyaktighet i målingen av gassen som blir forbrent ved å eliminere feilperioder forbundet med ufullstendig forbrenning.

Når den blir operert ved det støkiometriske punktet, har en zirkoniumoksidsensor en høy nøyaktighet og pålitelighet i praktisk anvendelse (Takeuchi, Takashi, Oxygen Sensors", Sensors and Actuators. vol 14, 1988, side 109-124). Det er noe forbrenning i oksygenpumpeområdet i innretningen. Fullstendigheten av forbrenningen i pumpeområdet eller i drivstoffcelleoperasjonen er imidlertid ikke 100$ a priori. Anvendelse av en katalytisk omdannerseksjon forsikrer 100$ forbrenning og den følgende oksygensensoren blir operert i et meget nøyaktig område. Denne konfigurasjonen kombineres for å frembringe en høy nøyaktighet i operasjonen.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir således en kontinuerlig, reell-tidporsjon av prøven fra den samlede strømmen med forbrenningsgass ført gjennom det sensiterende systemet. Denne prøven har en forhåndsbestemt, kjent forhold til den samlede strømmen og har den samme temperaturen, trykk og andre parametere som strømmen som blir målt. Prøven blir blandet med en kontrollert mengde oksygen og introdusert inn i en katalytisk forbrenningsinnretning slik at fullstendig forbrenning foregår. Den utgående avgassen av forbrenningstrinnet eller innretningen blir målt for å bestemme om oksygengassblandingen som er tilført forbrenningstrinnet var som ønsket, enten støkiometrisk eller med en forhåndssatt ventil med overskudd oksygen, avhengig av operasjonsmåten til systemet.

Foreliggende oppfinnelse angår således en fremgangsmåte for måling av energi i en brenngass og er kjennetegnet ved at man (a) tar en sanntidsprøve fra en samlet strøm med gass, prøven er en kjent fraksjonsmengde av den totale strømmen og har den samme temperaturen og trykket som den totale strømmen;

(b) genererer en virkelig mengde av forbrenningsoksygen ved å anvende en faststoff-elektrolyttoksygenpumpe som blir drevet av en strømmengde som er proporsjonal med den virkelige mengden oksygen; (c) blander prøven med den virkelige mengden forbrenningsoksygen for å danne en blanding; (d) tilfører blandingen til en katalytisk forbrenner for fullstendig forbrenning av prøven for å danne en avgass som har en virkelig mengde forbrukt oksygen deri; (e) måler den virkelige mengden av forbrukt oksygen i avgassen; og (f) hvis den virkelige mengden oksygen avgass er tilnærmet lik en utvalgt mengde oksygen avgass som er indikasjon på fullstendig forbrenning i forbrenneren, anvende mengden strøm til å drive pumpen for å beregne energien i gassen, og hvis den virkelige mengden oksygen avgass ikke er tilnærmet lik den utvalgte mengden oksygen avgass, endre mengden av strøm i trinn (b) og gjenta trinnet (c) til (e) inntil den virkelige mengden oksygen avgass er tilnærmet lik den utvalgte mengden oksygen avgass. Oppfinnelsen angår også en innretning for å måle energi i en brenngass, kjennetegnet ved at den omfatter - en faststoff-elektrolyttoksygenpumpe for. å motta en gassprøve og for å generere en virkelig mengde forbrenningsoksygen når pumpen blir drevet av en mengde strøm som er proporsjonal med den virkelige mengden forbrenningsoksygen; - en katalytisk forbrenner koblet til pumpen for å motta en blanding av prøven pluss den virkelige mengden forbrennings-

oksygen til forbrenning av prøven for å danne en avgass som har en virkelig mengde med forbrukt oksygen deri; - en oksygensensor koblet til forbrenneren for å avføle den virkelige mengden forbrukt oksygen i avgassen; - en faststoff oksygenkilde koblet til pumpen og oksygensensoren for tilførsel av kalibreringsoksygen til pumpen og oksygensensoren; og - en feed back-kontrollenhet koblet mellom oksygensensoren og pumpen for å avføle den virkelige mengden forbrukt oksygen i avgassen og for å generere mengden med strøm basert på den virkelige mengden forbrukt oksygen som er avfølt, kontrollenheten sammenligner virkelig mengde forbrukt oksygen med en utvalgt mengde forbrukt oksygen som indikerer fullstendig forbrenning i forbrenneren og justere mengden strøm slik at den virkelige mengden forbrukt oksygen er tilnærmet lik den utvalgte mengden forbrukt oksygen, kontrollenheten inkluderer beregningsanordninger for å regne ut energimengden i brenselgassen som en funksjon av den virkelige mengden strøm som blir tilført pumpen.

Hvis blanding ikke var som ønsket, blir oksygenet som blir introdusert i prøvestrømmen endret slik at den ønskede blandingen blir oppnådd. Oksygenet blir introdusert i prøvestrømmen ved å anvende en faststoff-elektrolytt, zirkoniumoksid oksygenpumpe. Oksygenet som blir pumpet er direkte relatert til strømmen som passerer gjennom cellen. Dette er kjent som Faraday-effekten - i en elektrolytt, er mengden elektrisitet som strømmer direkte relatert til mengden elektronisk ladning på ionene som kommer inn i reaksjonen ved elektrodene ( Handbook of Physics, andre utgave, utgitt av Condon, E.V., og Odishaw, H., McGraw-Hill, New York, 1967, side 4-147 til 4-148). Strømmen i den elektrokjemiske pumpen er således direkte relatert til oksygenet som blir pumpet pluss en mindre lekkasjedel. Faraday-effekten - ett oksygenion transportert pr. to elek-troner strøm - er meget nær enheten, når den pumpende cellen og målecellen ikke deler felles elektroder (Logothetis, E.M., og Hetrick, R.E. , "High-Temperature Oxygen sensors based on Oxygen Pumping", kapittel 8 i Fundamentals and A<p>plications of Chemical Sensors. The American Chemical Society, 1986, side 136-154). De separate elektrodene eliminerer effekten av polarisering, på elektrodene og på korngrensene, og karakter-trekkene til cellen. Strømmen i cellen flyter primært ved transport av oksygenioner i elektrolytten. Det er noe lekkasje eller motstandsstrømflyt, men denne er meget lav.

En kontrollert mengde oksygen blir tilført for å få fullstendig forbrenning. Energiinnholdet i gassen som blir forbrent slik er direkte relatert til mengden oksygen som kreves i forbrenning. Oksygenet som kreves varieres med strømhastigheten og med det kalorimessige innholdet i gassen. Strømmen gjennom oksygenpumpen er direkte relatert til oksygenet som blir pumpet. Således er strømmen direkte relatert til antall kilojoule som strømmer gjennom innretningen. I tilfeller der strømmen gjennom innretningen er et konstant under-multippel av strømmen i en større ledning, som en gassrørledning, gir utgangen av sensoren et mål for energistrømmen i den store ledningen.

De forskjellige nyhetstrekkene som kjennetegner oppfinnelsen er påpekt spesielt i de vedlagte krav og disse danner en del av beskrivelsen. For bedre forståelse av oppfinnelsen, dens fordeler og spesielle mål som oppnås, refereres det til de vedlagte tegningene som beskriver foretrukne utforminger av oppfinnelsen. Fig. 1 er en graf som plotter forholdet mellom oksygen som er nødvendig for en støkiometrisk forbrenning av forbrennbare forbindelser som vanligvis finnes i naturgass, en hvilken som helst energi eller varmeinnhold i forbrenningsgassene, der kJ/dm^-verdien ved 15,6°C og 762 mm Eg, våt; Fig. 2 er en skjematisk tegning av en innretning av foreliggende oppfinnelse som blir utnyttet i fremgangs-måten i foreliggende oppfinnelse; Fig. 3 er et blokkdiagram som viser de elektroniske komponentene i et elektronisk arrangement som blir anvendt i foreliggende oppfinnelse; Fig. 4 viser anvendelse av en innretning ifølge foreliggende oppfinnelse som blir utnyttet in-situ for direkte-måling av energi som er tilgjengelig i en strøm med drivstoffgass; Fig. 5 illustrerer en utforming av foreliggende oppfinnelse som er plassert på utsiden av hovedstrømmen til drivstoffgassen; og Fig. 6 er en skjematisk illustrasjon av et annet arrangement

som utnytter foreliggende oppfinnelse.

Ved særlig å referere til tegningene viser fig. 1 kJ-innholdet i naturgass plottet mot oksygenet som er nødvendig for fullstendig forbrenning av dens bestanddeler (Steam, 38. utgave av Babcock og Wilcox Company, New York, 1975, side 6-2). Således er oksygenet som kreves til fullstendig forbrenning av et gitt volum av hoveddelen i blandingene med naturgass relatert til kJ-innholdet i samme volum av gassen.

Denne tilnærmelsen er meget sensitiv for strøm og energi og ikke sensitiv til variasjoner i temperatur, gasstetthet og fuktighet. Fig. 2 viser funksjonelt implementasjonen. Selv om figuren viser en sylindrisk geometri, er dette av illustra-sjonsgrunner, de virkelige geometriene vil inkludere en lang smal sylindrisk seksjon, bikubeformede tverrseksjoner, seksjoner med parallelle sider og meget små atskillelser, f.eks. der alle tjener til å maksimalisere arealet for strømmen for å maksimalisere effektiviteten i cellen. Den viktige faktoren er at tilstrekkelig oksygen blir innført inn i gasstrømmen for å frembringe fullstendig forbrenning.

Mengden oksygen blir variert fra støkiometrisk til overskudd av oksygen for å verifisere opererbarheten av innretningen. Denne variasjonen blir påført periodisk for å forsikre at innretningen opererer nøyaktig. En variabel fraksjon av oksygenet kan bli pumpet for å gi varierende nivå av forbrenning i stedet for støkiometriske blandinger. Endring av nivåene kan bli anvendt til å undersøke yteevnen ved å bestemme om utgangsoksygenindikasjonen øker med et kall på et høyere nivå av oksygen som må bli pumpet. Sensoren har en meget høy økning ved det støkiometriske forbrenningspunktet og en svak endring i oksygennivået forårsaker en stor endring i utgangen når den funksjonerer riktig. Denne testen tjener til å verifisere operasjonen til oksygenpumpen og oksygensensoren. Den indikerer også om forbrenningen foregår på den katalytiske forbrenneren siden oksygensensoren ikke indikerer noe overskudd oksygen for et oksygennivå som blir pumpet inn i gasstrømmen.

Målesystemet 40 i oppfinnelsen er vist skjematisk i fig. 2. Strømmen er fra venstre til høyre. Geometrien har i virkelig-heten en mindre arealåpning relativt til tverrsnittarealet til det indre av innretningen. Dette er for å frembringe et stor areal som blir eksponert til strømmen for oksygenpumping og til forbrenning for å forsikre at forbrenningsprosessen blir fullstendig. Dette er nødvendig for nøyaktigheten i målingen.

Gassen som strømmer fra venstre til høyre kommer først inn i komponenten i systemet som er en innretning som har evne til å frembringe en kontrollerbar oksygenkilde. Dette er en miniatyrbrenselscelle 10 som anvender en faststoffelektrolytt slik som en stabilisert zirkoniumoksid. Den produserer eller pumper oksygen til dens indre direkte relatert til elektron-strømmen som passerer gjennom den. Oksygenet som den introduserer inn i strømmen, vil blandes med gassen i flytdampen. Blandingen blir deretter forbrent i en katalytisk forbrenner 12, det andre elementet i arrangementet. Det som kommer ut fra den katalytiske forbrenneren vil være en blanding av karbondioksid, vanndamp, oksygen og sannsynligvis noe brennbare gass som ikke er forbrent. Disse gassene blir deretter sendt gjennom den tredje komponenten i arrangementet, en zirkoniumdioksidoksygensensor 14. Referanseoksy-genet til denne sensoren blir tilført enten fra atmosfæren eller fra en fast forseglet oksygenkilde 16. Spenningsut-gangen 18 i oksygensensoren gjør en stor, plutselig økning når den går fra forholdene med noe oksygen i det sensorerende volumet, til forhold der alt oksygenet blir fjernet fra prøven. Punktet der det forekommer er uavhengig av referanse-trykket med mindre referansen er meget lav (se Heyne-referansen på side 84). Således er oksygenkilden ikke kritisk i nøyaktigheten i kontrollen når systemet blir operert ved støkiometriske blandinger. Oksygenpumpen 10, katalytisk omdanner 12 og oksygensensor 14 blir operert i området fra 600 til 700°C. Den faste oksygenkilden 16 kan bli operert ved samme oppvarmingssystem som kontrollerer temperaturen i andre deler av systemet. Oksygenkilden til oksygenpumpe 10, den første komponenten i oppfinnelsen, blir på samme måte tilført typisk enten fra atmosfære, eller fra den faste kilden 16 som vist i fig. 2 (se Speidel et al.-referansen). Utgangen 18 fra oksygensensoren 14 ble anvendt til å regulere strømmen 20 som blir tilført oksygenpumpen 10. Kontrollkretsen 22 i oppfinnelsen sammenligner utgangen av oksygensensoren 14 med en forhåndssatt verdi og enten øker eller senker strømmen 20 i overensstemmelse med dette. Dette forårsaker at oksygen-mengden som blir pumpet endres når strømmen endres. Kontroll-løkken opererer enten ved en støkiometrisk blanding eller en som er svakt oksygenrik, ved enten å øke eller senke strømmen av oksygen slik at oksygenet som blir målt av sensoren blir holdt konstant. Strømmen gjennom seksjonen blir målt av oksygenet som behøves for total forbrenning av gassen som strømmer gjennom sensorarrangementet.

Strømmen som blir anvendt til å kontrollere oksygenpumpen er kvantativt relatert til oksygenet som kreves for fullstendig forbrenning. Denne blir omdannet til en digitalverdi og anvendt i en beregning av energiverdi, ved å anvende konstanter fra strømforhold og data plottet i fig. 1, etc.

Fig. 3 viser på diagramform det elektroniske systemet for energistrømmåleren i oppfinnelsen med unntakelse for oppvarmingskontrollen for opprettholdelse av delene ved nødvendig temperatur. Oksygensensorens avgitte effekt 18 er en spenning. Denne spenningen blir omdannet til en digitalverdi ved en analog/digital-omformer 24. Denne digitalverdien blir sammenlignet med en forhåndssatt verdi ved en strømkon-trollenhet 26. Utgangen 28 av denne strømkontrollenheten 26 opererer en strømgenerator 30 som i sin tur tilfører en kjørestrøm 20 til oksygenpumpen 10. Når oksygensignalet er lavere enn den forhåndssatte eller ønskede verdien, blir strømgeneratoren 30 instruert til å øke dens utgang med en mindre mengde. Omvendt, når oksygensignalet er over den forhåndssatte verdien, blir strømgeneratoren instruert til å senke strømmen med en mindre mengde. Denne handlingen gjentar seg kontinuerlig med et tidsintervall mellom handlingene og en mengde endringer valgt sammen for å bevare kontroll-løkken stabil.

Strømgeneratoren 30 aksepterer et digitalt signal ved 28 og sender ut en strøm ved 20. Dette er en strøm-utgangs-digital/analog-krets. Spenningen i overensstemmelse med utgangen av denne kretsen er begrenset til +/— 2,5 volt (se Heyne-referansen på side 71) for å beskytte sensoren. Den digitale utgangen ved 29 av strømkontrollenheten blir også anvendt til energi strømberegning ved 32. Denne enhet 32, så vel som andre kontrollkretser, er mikroprosessor-basert der konstantene som er nødvendig for dens beregninger er lagret i hukommelsen. Den beregnede avgitte effekt 34 av enhet 32 gir energimålingen i oppfinnelsen.

Sensorsaml ingen 40 inkludert oksygenpumpe 10, katalytisk forbrenner 12, oksygensensor 14, fast oksygenkilde 16, oppvarmer (ikke vist), etc, er montert i en strømningsleder 42 for å oppnå et mål på samlet energistrøm i lederen som har størrelser som kan være i området fra noen få centimeter til en med en diameter på ca. 70 cm eller mer.

Et monteringsarrangement anvender en pakning montert på innsiden av veggen i ledningsrøret og dette benytter et avstiversystem som vist i fig. 4. En alternativ implementering vist i fig. 5 anvender en strømprøvetakingsteknikk der en mindre prøve av strømmen blir sendt ved 44 ut av den primære lederen 42 og til energistrømsensoren 46 som er tilsvarende samling 40. Strømsensorgassdamputgangen blir sendt ut tilbake i den primære strømmen ved 48 slik at det ikke er noe netto trykknedgang gjennom sensorsamlingen. Isokinetisk prøvetaking blir foretrukket for å opprettholde nøyaktighet av forholdet av strøm mellom prøven og hovedstrømmen.

Et annet arrangement er å montere sensoren 40 i en prøve 50 som blir innført i strømledningsrøret 42. En enkel energi-strømmåleinnretning kan bli montert i prøven og innført i ledningsrøret, eller en rekke av dem kan bli montert i prøven, som vist i fig. 6, for å måle tvers gjennom et strømledningsrør i tilfelle en strøm ikke hadde et ikke-uniformt tverrsnitt.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for måling av energien i en brenngass, karakterisert ved at den omfatter at man (a) tar en sanntidsprøve fra en samlet strøm med gass, prøven er en kjent fraksjonsmengde av den totale strømmen og har den samme temperaturen og trykket som den totale strømmen; (b) genererer en virkelig mengde av forbrenningsoksygen ved å anvende en faststoff-elektrolyttoksygenpumpe som blir drevet av en strømmengde som er proporsjonal med den virkelige mengden oksygen; (c) blander prøven med den virkelige mengden forbrenningsoksygen for å danne en blanding; (d) tilfører blandingen til en katalytisk forbrenner for fullstendig forbrenning av prøven for å danne en avgass som har en virkelig mengde forbrukt oksygen deri; (e) måler den virkelige mengden av forbrukt oksygen i avgassen; og (f) hvis den virkelige mengden oksygen avgass er tilnærmet lik en utvalgt mengde oksygen avgass som er indikasjon på fullstendig forbrenning i forbrenneren, anvende mengden strøm til å drive pumpen for å beregne energien i gassen, og hvis den virkelige mengden oksygen avgass ikke er tilnærmet lik den utvalgte mengden oksygen avgass, endre mengden av strøm i trinn (b) og gjenta trinnet (c) til (e) inntil den virkelige mengden oksygen avgass er tilnærmet lik den utvalgte mengden oksygen avgass.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den utvalgte mengden oksygen avgass omfatter en utvalgt mengde oksygen avgass i eksosgassen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at den inkluderer måling av den virkelige mengden med overskudd oksygen ved å anvende en oksygensensor knyttet til den katalytiske forbrenneren og som tilfører kalibreringsoksygen til pumpen og til oksygensensoren.

4 . Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den inkluderer tilførsel av oksygen til pumpen og sensoren fra en faststoffoksygenkilde.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at faststoff-elektrolyttoksygenpumpen omfatter en zirkoniumoksidoksygenpumpe.

6. Innretning for å måle energi i en brenngass, karakterisert ved at den omfatter: - en faststoff-elektrolyttoksygenpumpe (10) for å motta en gassprøve og for å generere en virkelig mengde forbrenningsoksygen når pumpen blir drevet av en mengde strøm som er proporsjonal med den virkelige mengden forbrenningsoksygen; - en katalytisk forbrenner (12) koblet til pumpen for å motta en blanding av prøven pluss den virkelige mengden forbrenningsoksygen til forbrenning av prøven for å danne en avgass som har en virkelig mengde med forbrukt oksygen deri; - en oksygensensor (14) koblet til forbrenneren (12) for å avføle den virkelige mengden forbrukt oksygen i avgassen; - en faststoff oksygenkilde (16) koblet til pumpen og oksygensensoren for tilførsel av kalibreringsoksygen til pumpen og oksygensensoren; og - en feed back-kontrollenhet (26) koblet mellom oksygensensoren og pumpen (10) for å avføle den virkelige mengden forbrukt oksygen i avgassen og for å generere mengden med strøm basert på den virkelige mengden forbrukt oksygen som er avfølt, kontrollenheten (26) sammenligner virkelig mengde forbrukt oksygen med en utvalgt mengde forbrukt oksygen som indikerer fullstendig forbrenning i forbrenneren og justere mengden strøm slik at den virkelige mengden forbrukt oksygen er tilnærmet lik den utvalgte mengden forbrukt oksygen, kontrollenheten inkluderer beregningsanordninger for å regne ut energimengden i brenselgassen som en funksjon av den virkelige mengden strøm som blir tilført pumpen (10).

7 . Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at pumpen (10) omfatter en zirkoniumoksidpumpe.

8. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den inkluderer en faststoffoksygenkilde (16) knyttet til pumpen (10) og til oksygensensoren (14) for å tilføre kalibreringsoksygen til pumpen og til sensoren.

9. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at oksygensensoren (14) produserer et analogt signal som er proporsjonalt med den virkelige mengden oksygen i avgassen, kontrollenheten (26) inkluderer en analog/digital-omformer (24) knyttet til oksygensensoren for å produsere et digitalt signal, strømkontrollanordning knyttet til Å/D-omformeren (24) for produsering av digitale strømsignaler som er proporsjonale med mengden oksygen, en D/A-strømgenerator (30) knyttet til strømkontrollanordningen for å generere den virkelige strømmen for tilførsel til oksygenpumpen, og beregningsanordning knyttet til strømkontrollanordning for å beregne et energisignal som representerer et mål på energien i gassen, energisignalet blir beregnet som en funksjon av det digitale signalet fra strømkontrollanordningen.

10. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre omfatter en støtteoppsetning for montering av innretningen på en innsidevegg av en ledning gjennom hvilken hrenngassen strømmer.

11. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre innbefatter isokinetisk prøvetakings-innretninger for å retningsstyre prøven av brenngassen ut av den primære ledningen gjennom hvilken brenngassen strømmer til innretningen og anordninger for å slippe ut avgass fra innretningen tilbake til ledningen.

12. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre inkluderer en sonde (50) for montering av innretningen deri, nevnte sonde blir satt inn i en strømledning gjennom hvilken brenngassen strømmer.

13. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre inkluderer en rekke innretninger montert i sonden (50) for å måle på tvers en strømledning i det tilfellet med en strøm som har et ikke-uniformt tverrsnitt .