WO1995018958A1 - Verfahren zur bestimmung des volumenflusses eines gases in einem messrohr - Google Patents
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Abstract
Mit dem Verfahren besteht neben der genaueren Meßbarkeit des Gasdurchflusses mittels Ultraschall die Möglichkeit, die Art des durch ein Meßrohr hindurchströmenden Gases zu bestimmen. Aus den Meßgrößen Schallaufzeit und Temperatur wird ein für jede Gasart charakteristischer Gaskennwert ermittelt. Da somit die Art des Gases bekannt ist, kann der (gemessene) Durchfluß korrigiert werden.
Description
Verfahren zur Bestimmung des Volumenflußes eines Gases in einem Meßrohr
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Volumenflußes eines Gases in einem Meßrohr unter Verwendung von Ultraschall.
In den Offenlegungsschriften DE 39 415 44 AI, DE 39 415 45 AI, DE 39 415 46 AI und DE 40 10 148 AI werden Gasdurchflußmesser beschrieben. Diese arbeiten prinzipiell nach dem Laufzeitdifferenzverfahren. Bei diesem Verfahren wird die Laufzeit eines in ein Meßrohr eingestrahlten Ultraschallsignals gemessen, und zwar stromauf- und stromabwärts, bezogen auf die Strömungsrichtung des Gases. Es wird die Differenz der Laufzeit stromauf- und stromabwärts bestimmt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt. Zusammen mit den geometrischen Abmessungen des durchströmten Meßrohres ergibt sich daraus der Volumenfluß. Das über eine bestimmte Zeitdauer akkumulierte Volumen ergibt dann die durch das Meßrohr hindurch geflossene Gasmenge.
Die in den oben genannten Gasdurchflußmessern verwendeten Meßverfahren haben gemeinsam, daß der gemessene Fluß mit einem von der Art des durchströmten Mediums abhängigen Meßfehler behaftet sein kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, den Volumenfluß eines durch ein Meßrohr strömenden Gases so genau wie möglich zu bestimmen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafterweise lassen sich die Meßgrößen, Schallaufzeit und Temperatur, sowohl zur Durchflußbestimmmung als auch zur Gasartbestimmung und zur Gasdetektion verwenden.
Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren zusätzlich erläutert.
Die Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in Form eines Blockschaltbilds.
Die Figur 2 zeigt beispielhaft einen für das Verfahren geeigneten Durchflußmesser.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, aus der Schall¬ geschwindigkeit und der Temperatur des durch ein Meßrohr strömenden Gases einen Gaskennwert abzuleiten, welcher jede Gasart eindeutig charakterisiert. Der Gaskennwert wird mit einem Korrekturfaktor verknüpft, welcher zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Meßrohr und dem Meßrohrquerschnitt den Volumenfluß liefert.
Anhand eines Beispiels soll das Verfahren näher erläutert werden. Die in den obengenannten Schriften beschriebenen Gasdurchflußmesser benutzen das Prinzip einer BW"-förmigen Wegführung, wie in Figur 2 gezeigt, für ein durch ein kalibriertes Meßrohr 1 hindurchgesandtes Ultraschallsignal 2. Anstelle der "W-förmigen Wegführung ist auch eine "V-förmige Anordnung oder eine Direktbeschallung möglich. Zwei Ultraschallwandler USW1 und USW2 sind seitlich zueinander ausgerichtet am Meßrohr 1 angebracht und arbeiten alternierend
als Sende- und Empfangswandler. Der geneigt zur Strömungsrichtung laufende Ultraschall 2 wird zur Weg- und LaufZeitverlängerung dreimal am Boden und an der Decke des Meßrohrs 1 reflektiert. Der Einstrahlwinkel in das Meßrohr wird mit α bezeichnet.
Der Schall breitet sich in einen ruhenden gasförmigen Medium mit der Schallgeschwindigkeit CQ aus. Befindet sich dieses Medium im Zustand der Strömung, so beträgt die effektive Schallgeschwindigkeit für stromabwärts c^:
, = — (1)
und für stromaufwärts C2:
c2 = — (2) t2
Dabei ist t^ die Schallaufzeit stromabwärts gemessen und t2 die Schallaufzeit stromaufwärts gemessen. Die vom Ultraschall zurückgelegte Wegstrecke zwischen Sender und Empfänger wird mit L bezeichnet. Zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit v des Gases im Meßrohr 1 wird die reziproke Zeitdifferenz angesetzt:
mit t]_ - t2 = Δt und t2 = t2 • tr
Δt = Laufzeitdifferenz Aus Gleichung (3) folgt
t L L
die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases im Meßrohr 1 bestimmt sich zu:
L v = — 2 " t. (5)
Ist, wie bei den Gasdurchflußmessern der obengenannten Schriften, die Meßrichtung entlang dem "W" förmigen Weg mit der Strömungsrichtung nicht identisch, so geht der für den
Ultraschall 2 geltende Einstrahlwinkel α in Gleichung (5) wie folgt ein:
v = i-^^.^ ,6) tj • t2 cos α
Diese Messung der Strömungsgeschwindigkeit v des Gases gemäß Gleichung (6) ist sowohl von der Medium-Schallgeschwindigkeit c als auch von der Temperatur T des Gases im Meßrohr 1 unabhängig. Die Länge L des Meßwegs geht als unveränderliche Konstante des Meßrohres in die Kalibrierung ein.
Für die Medium-Schallgeschwindigkeit c gilt:
c2 s v2 + c2 • cx (7)
Mit Gleichung (6) und Gleichung (2) läßt sich Gleichung (7) schreiben als:
L t2 - t, τ2 c = (8) cos2 α v. t2 ' *-! J t2 • t,
Im Fall eines Gasmessers mit einem Ultraschallsignal- Einstrahlwinkel α = 0°, d.h. mit einer Meßrichtung parallel zur Strömungsrichtung des Gases erhält man:
L t2 + t. 0 = I ' " (9)
Damit sind die Medium-Schallgeschwindigkeit c und die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases allein aus der Länge L des Meßwegs und den absoluten Laufzeiten des Ultraschalls t^ stromaufwärts und t2 stromabwärts zu erhalten. Die
Strömungsgeschwindigkeit v des Gases wird zur Ermittlung von Volumenfluß V und Volumen V des durchströmenden Gases herangezogen.
Die Medium-Schallgeschwindigkeit c hängt von den Eigenschaften des Gases ab:
Mit p = Dichte des Gases χ = Adiabatenexponent p = Druck des Gases
R = allgemeine Gaskonstante μ = Molmasse Rm = spezifische (individuelle) Gaskonstante Rm = R / μ.
Durch Umformung von Gleichung (10) ergibt sich der für die Erfindung wesentliche Gaskennwert G:
G = c2 = χ (11)
R • T μ
Der Gaskennwert G, Einheit [mol/kg] , ist der Quotient aus dem Adiabatenexponent χ und der Molmasse μ, bzw. darstellbar aus der Medium-Schallgeschwindigkeit c, der allg. Gaskonstanten R und der Temperatur T. Aus folgender Tabelle sind die Gaskennwerte G für unterschiedliche Gase ersichtlich:
Bei einer Meßweglänge von 224 mm ergeben sich für Luft und für Methan bei unterschiedlichen Temperaturen die aus der folgenden Tabelle ersichtlichen Schallaufzeiten, Medium-Schallge¬ schwindigkeiten c und Gaskennwerte G:
Gas und Schallaufzeit c G Temperatur
Luft, -10°C min. 694,3 322,6 47,6
Luft, -10°C max. 696,0 321,8 47,4
Luft, 20°C min. 657,8 340,5 47,6
Luft, 20°C max. 660,0 339.4 47,3
Luft, 40°C min. 635,4 352,5 47,8
Luft, 40°C max. 638,0 351,1 47,4
Methan, -10°C min. 531,5 421,4 81,2
Methan, -10°C max. 533,0 420,3 80,8
Methan, 20°C min. 505,6 443,9 80,9
Methan, 20°C max. 507,2 441,6 80,0
Methan, 40°C min. 492,2 455,1 79,6
Methan, 40°C max. 493,5 453,9 79,2
Aus obiger Tabelle ist deutlich zu erkennen, daß die Gasart trotz unterschiedlicher Temperaturen und unterschiedlicher Schallaufzeiten mittels dem Gaskennwert G eindeutig identifiziert werden kann. Luft kann damit von Stickstoff unterschieden werden.
Bei Gasen, die nur einen geringen Unterschied hinsichtlich ihres Gaskennwertes G haben, jedoch eine unterschiedliche akustische Dämpfung besitzen, kann die bei dem
Durchflußmeßverfahren ohnehin zur Verfügung stehende Amplitude des Ultraschallempfangssignals zusätzlich zur Gasidentifikation ausgenutzt werden. Beispielsweise können so Methan (G = 81,65) Dämpfung D = 20 dB/m und Neon (G = 81,25) Dämpfung D = unterschieden werden.
Da das Ultraschallempfangssignal verstärkt werden muß, ist zur Unterscheidung der Gasarten neben dem Gaskennwert G auch der Verstärkungsfaktor K des Ultraschallempfangssignals verwendbar.
Das Empfangssignal wird um so mehr verstärkt, um so stärker es im Medium bed mpft wird. Ziel der Verstärkung ist ein Empfangssignal, dessen Amplitude einen genormten Wert annimmt. Die Empfangssignalverstärkung ist proportional zur Dämpfung. Die Gaskennwerte G zusammen mit den Verstärkungsfaktoren für Luft, Methan und Erdgas (NGA syn.) zeigen folgende Tabelle:
Je genauer die Temperaturmessung und die Bestimmung der Medium- Schallgeschwindigkeit c erfolgen, desto exakter lassen sich die einzelnen Gase voneinander unterscheiden. Bei den oben beschriebenen Gasdurchflußzählern ist der Gaskennwert G auf ca. 3 bis 5 % genau bestimmbar.
Die in den genannten Gasdurchflußmessern verwendeten Meßver¬ fahren haben gemeinsam, daß der gemessene Fluß mit einem von der Art des durchströmten Mediums abhängigen Meßfehler behaftet sein kann. Mit Hilfe des Gaskennwertes G und falls nötig zusätzlich mit Hilfe der Dämpfung D des Ultraschalls oder einer der Dämpfung D äquivalenten Größe läßt sich ein Korrekturwert bestimmen, welcher, verknüpft mit dem ursprünglich bestimmten Volumenfluß, einen korrigierten Volumenfluß ergibt (vgl. auch Figur 1) . Es ist auch möglich, direkt aus der Strömungsgeschwindigkeit v verbunden mit dem Meßrohrguerschnitt und dem Korrekturwert den korrigierten Volumenfluß zu bestimmen. Der Korrekturwert, der zu einem Gaskennwert G und evtl. zusätzlich zu einer Dämpfung D gehört, kann beispielsweise in Verbindung mit diesen Größen in einer Tabelle abgelegt sein. Bei Bedarf ist der Korrekturwert bei gegebenem
Gaskennwert G und evtl. zusätzlich gegebener Dämpfung D aus der Tabelle abfragbar. Der Korrekturwert ist je nach Art des Meßfehlers beispielsweise als Offsetwert additiv mit dem Volumenfluß verknüpft.
Aus der Temperatur T des Gases und den Schallaufzeiten stromaufwärts t]_ und stromabwärts t2 kann die Gaskenngröße G sofort berechnet werden. Je nach Anwendungsfall kann eine Meßfrequenz im Bereich bis ca. 1 kHz vorgesehen sein. Dabei ist eine einfache Meßdatenübermittlung mit allen Vorteilen für Oberwachungs-, Steuerungs- und Regelungszwecke möglich. Bei niedrigerer Meßfreguenz und dem damit verbundenen geringeren Stromverbrauch sind auch Geräte mit Batteriestromversorgung einsetzbar. Für die LaufZeitmessung liegt bei Durchflußmessern der obengenannten Art die absolut erreichbare Genauigkeit bei 1 ηs. Bei einer Meßstrecke von typischerweise 200 mm Länge und typischen Laufzeiten von 500 - 700 μs ist der Fehler bei der Laufzeitmessung vernachlässigbar im Vergleich zum Fehler der üblicherweise durchführbaren Temperaturmessung, der bei ca. 0,5 % liegt.
Bei der Anwendung des Verfahrens zur Gassortendetektion mit oder ohne Strömungsmessung gilt als auszuwertendes Kriterium:
G(Gaεl) ≠ G(Gas2) ≠ G(Gas3) ≠
Ein Anwendungsbeispiel wäre ein System mit einer Anzahl verschiedener bekannter Gase mit entsprechend verschiedenen Gaskennwerten G. Das Vorhandensein eines dieser Gase im System kann detektiert und kontrolliert werden. So sei in einem chemischen Prozeß nacheinander die Zufuhr von Chlor- und Bromgas in bestimmten Mengen erforderlich. Infolge der unterschiedlichen Gaskennwerte G beider Gase kann detektiert werden, ob sich z.B. augenblicklich Chlorgas im System
befindet. Wird das Verfahren zur Gasdetektion in Verbindung mit einem Strömungsmesser benutzt, so kann man mit Hilfe der Strömungsmessung eine bestimmte Menge des Chlorgases durch das Meßrohr fließen lassen. Anschließennd wird auf Bromgas umgestellt, dessen zufließende Menge dann ab dem Obergang des eines Gaskennwertes in den anderen Gaskennwert berechnet und dosiert werden. Unabhängig davon ist eine Strömungsgeschwindigkeitregelung durchführbar.
Bei der Anwendung des Gasdetektionsverfahrens in einem Gasdetektor oder in einem Leckmelder mit oder ohne Strόmungsmesser gilt als auszuwertendes Kriterium:
G(Soll) ≠ G(Ist)
Es wird die Einhaltung eines jeweiligen gasspezifischen Gasistkennwertes G(Ist) überwacht. Tritt eine Änderung des laufend oder von Fall zu Fall gemessenen Gasistkennwertes G(Ist) im System ein, so erfolgt eine entsprechende Meldung. Damit ist jede Abweichung der Gaszusammensetzung von einem Gassollkennwert G(Soll) über den Gaskennwert G sofort detektierbar. Wichtig sind Leckmelder für Systeme, in denen Wasserstoff, Helium, Methan oder andere explosive oder aggressive Gase geführt werden. Diese Gase haben vorteilhafterweise einen von Luft sehr verschiedenen
Gaskennwert G. Die Anwendung des Verfahrens zur Gasbestimmung in einem Leckmelder bzw. in einem Gassortendetektor kann sowohl mit als auch ohne Strόmungsmessung erfolgen. Ein durch eine Fehlfunktion eingeströmtes Fremdgas kann sofort und zuverlässig detektiert werden.
Es ist auch eine Anwendung als Gaszusammensetzungswächter mit oder ohne Strömungsmessung denkbar. Ein Gasgemisch mit einem bestimmten Mischungsverhältnis weist einen Gaskennwert G auf,
der sich mit der Zusammensetzung ändert. Damit kann als ausgewertetes Kriterium festgelegt werden:
G(Gemischl) ≠ G(Gemisch2)
Angezeigt werden kann eine geänderte Gaszusammensetzung im System. Diese Information kann als Istgröße in einem Regelsystem verwendet werden, mit dessen Regelgröße dann deren Sollzustand durch Änderung der Gasmischung wiederhergestellt werden kann. Anwendungsfälle wären beispielsweise:
1. Wasserstoff/Sauerstoffge isch für Verbrennungsvorgänge können mit dem bekannten Gasgemischkennwert G(Gemisch) für die optimale Mischung in ihrem Mischungsverhältnis ständig überwacht und geregelt werden. Die mit demselben Meßaufbau durchführbare Strömungsmessung kann als Istwert für die durchflossene Gasgemischmenge verwendet werden.
2. Eine Überwachung und Steuerung der Emission von Schadgasen,
Für eine Anwendung als Gaszusammensetzungsmesser mit oder Strömungsmesser ist die auszuwertende Größe:
G(Gasgemisch) = f(GasZusammensetzung)
Der Gaskennwert eines Gasgemisches G(Gasgemisch) soll also eine streng monotone stetige Funktion der Gaszusammensetzung sein. Ist diese Funktion f(GasZusammensetzung) bekannt, kann aus der Gaskennwertmessung die GasZusammensetzung oder das Mischungsverhältnis verschiedener Gase bestimmt werden.
Anwendungsbeispiele:
1. Ähnlich wie bei der Anwendung als GasZusammensetzungswäch er kann diese Größe G(Gasgemisch) als Istwert für die Regelsysteme verwendet werden, die dann das ideale Mischungsverhältnis herstellen.
2. Eventuell zusammen mit der Amplitude des
Ultraschallempfangssignals oder der Dämpfung des USsignals kann z.B. eine ständige Qualitätsüberwachung von angeliefertem Erdgas durchgeführt werden, da die Amplitude des Ultraschallempfangssignals, die Dämpfung des USsignals und auch der Gaskennwert von Erdgas von dessen Methangehalt abhängen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch allein die Medium-Schallgeschwindigkeit c eines betreffenden Gases gemessen werden. Weiterhin kann bei bekanntem
Adiabatenkoeffizienten χ die Molmasse μ eines Gases oder umgekehrt bei bekannter Molmasse μ der Adiabatenkoeffizient χ bestimmt werden. Ebenso kann mit Hilfe des durch einen Druckmesser bekannten Gasdrucks p und dem bekannten Adiabatenkoeffizienten χ die Gasdichte p oder mit Hilfe der bekannten Gasdichte p und des bekannten Adiabtenkoeffizienten χ der Gasdruck p bestimmt werden.
Das Verfahren eignet sich für die obengenannten prinzipiellen Anwendungen bei einer jeden Gaskombination und bei einem jeden Gasgemisch. Zusammen mit der Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit v ist gleichzeitig auch eine Gasverbrauchserfassung möglich.
Für manche Anwendung, besonders für den Anwendung als
Gassortendetektor, ist es vorteilhaft, den Massefluß m zu bestimmen. Wie bereits erwähnt, ist dazu der Adiabatenkoeffizient χ und der Gasdruck p notwendig. Der Massefluß m läßt sich darstellen als
m = p • V ( 12 )
wobei p Dichte des Gases ist. Da der Volumenfluß V das Produkt aus Meßrohrguerschnitt und Strömungsgeschwindigkeit v ist und diese ermittelt werden kann (vgl. Gleichung (5) und (6)), muß noch die Dichte p bestimmt werden. Die Zustandsgieichung für ideale Gase lautet:
M p • V = — • R • T (13)
Mit p = Druck,
R = allgemeine (universelle) Gaskonstante, μ = Molmasse, M = Gesamtmasse und
M/μ = Molzahl.
Durch Umformung gilt:
R • T p = p (14)
Die Medium-Schallgeschwindigkeit c bestimmt sich durch die Formel:
_ χ • R • T cd = (15)
Durch Einsetzen von Gleichung (15) in Gleichung (14) und Umformen ergibt sich:
p = £-^£ (16) c
Damit erhält man für den Massefluß m folgende Proportio¬ nalität:
Die Medium-Schallgeschwindigkeit c ist aus Gleichung (9) bekannt und wird zur Bestimmung des Gaskennwertes G genutzt. Der Gasdruck p ist entweder konstant und bekannt, z.B. durch einen Druckregler, oder wird gemessen. Der Adiabatenkoeffizient χ ist bekannt, wenn die Gasart bekannt ist. Die Gasart kann aber durch den Gaskennwert G bestimmt werden. Dann kann der in Frage kommende Adiabatenkoeffizient χ aus einer Tabelle, welche beispielsweise in einem Mikroprozessor gespeichert wird, bestimmt und zur Berechnung des Massenflusses m herangezogen werden. Die Genauigkeit der Bestimmung des Massenflusses m hängt hiermit nicht mehr allein von der möglichst genauen Bestimmung der Schallaufzeitdifferenz ab, sondern ebenfalls von der Druckbestimmung, von der Genauigkeit des Adiabatenkoeffizienten χ und von der absoluten Genauigkeit der Schallaufzeit.
Claims
1 . Verfahren zur Bestimmung des Volumenflußes eines Gases in einem Meßrohr ( 1 ) - bei dem die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases im Meßrohr
(1 ) bestimmt wird,
- bei dem die Gasart ermittelt wird,
- bei dem der Gasart ein Korrekturwert zugeordnet wird,
- bei dem mittels der Strömungsgeschwindigkeit v , des Korrekturwerts und des Meßrohrquerschnitts der
Volumenfluß bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Ermittlung der Gasart - die Schallgeschwindigkeit c des Ultraschalls im Gas ermittelt wird,
- die Temperatur des Gases ermittelt wird, und
- das Verhältnis aus dem Quadrat der Schallgeschwindigkeit und der Temperatur gebildet wird, welches zur Charakterisierung der Gasart verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
- die Dämpfung des Ultraschalls im Meßrohr (1) ermittelt wird und - zusätzlich die Dämpfung zur Charakerisierung der Gasart verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
- bei dem die Schallgeschwindigkeit c im Gas mit Hilfe der Gleichung
L t, + t, c = — • — -
2 t2 • t. ermittelt wird,
- wobei ti die gemessene erste Schallaufzeit ist, die der Ultraschall benötigt, um im Meßrohr (1) eine Strecke der Länge L in einer ersten Richtung zu durchlaufen,
- wobei t2 die gemessene zweite Schallaufzeit ist, die der Ultraschall benötigt, um im Meßrohr (1) die Strecke der Länge L in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung zu durchlaufen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases mit Hilfe der
Gleichung
ϊ = i . -^Jb-
2 t, • t2
ermittelt wird,
- wobei ti die gemessene erste Schallaufzeit ist, die der Ultraschall benötigt, um im Meßrohr (1) eine Strecke der Länge L in einer ersten Richtung zu durchlaufen,
- wobei t2 die gemessene zweite Schallaufzeit ist, die der Ultraschall benötigt, um im Meßrohr (1) die Sti'ecke der Länge L in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung zu durchlaufen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit v des Gases mit Hilfe der
Gleichung
v = — • -2 L
2 t, • t2
ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6,
- bei dem zusätzlich der Gasdruck gemessen wird,
- bei dem aus dem Gasdruck und der Schallgeschwindigkeit c eine der Dichte proportionale Größe errechnet wird,
- bei dem aus der der Dichte proportionalen Größe und dem Volumenfluß ein Massefluß bestimmt wird.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DEP4400445.1 | 1994-01-10 | ||
| DE4400445 | 1994-01-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO1995018958A1 true WO1995018958A1 (de) | 1995-07-13 |
Family
ID=6507640
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/DE1995/000021 WO1995018958A1 (de) | 1994-01-10 | 1995-01-10 | Verfahren zur bestimmung des volumenflusses eines gases in einem messrohr |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO1995018958A1 (de) |
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