WO2017129505A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der zusammensetzung eines gasgemisches - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the composition of a gas mixture in which a plurality of independent ⁇ physical quantities of the gas mixture are measured and from the measured variables to each other via correlation calculations, the composition of the gas mixture is determined.
  • the invention is based on a method of the type described above. It is the object of the invention to provide a method of this kind, which is characterized by a particularly high accuracy. This object is achieved in a method of the type specified by the fact that in addition the
  • Sound absorption coefficient of the gas mixture is determined by the gas mixture with sound waves to generate
  • Multiple reflections are applied and determined by detecting the decrease in the amplitudes of the multiple reflections of the sound absorption coefficient, and that the determined
  • the invention is based on the basic concept of improving the accuracy of the result of the correlation calculations carried out by providing a further physical variable of the gas mixture to be measured, in order to be able to determine the composition of the corresponding gas mixture in a particularly accurate manner.
  • This path is gone through the determination of the sound absorption coefficient of the gas mixture.
  • a x Ao ⁇ e ⁇ ax
  • a x represents the amplitude of the sound wave after traveling the distance x
  • Ao represents the initial amplitude of in
  • the absorption coefficient results as a mixture of the individual absorption coefficients of the gas constituents.
  • the sound absorption coefficient for the entire gas mixture is determined, and this value is used for the corresponding correlation calculations.
  • the composition of the Gas mixtures can be determined, ie it can be selectively determined the proportions of the individual components.
  • the thermal conductivity, the specific heat capacity and the speed of sound of the gas mixture are preferably measured as independent physical quantities. From these three physical quantities, the gas composition is determined in conjunction with the determination of the absorption coefficient of the gas mixture (total attenuation of the same) via a suitable correlation calculation.
  • the inventive method is used in a gas mixture having a content of CO 2 .
  • the C0 2 ⁇ content is determined in natural gas, since CO 2 plays an important role in the combustion of natural gas. It is thus possible in the inventive method with a relatively low measurement cost and relatively high accuracy to determine the C0 2 ⁇ content in natural gas.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method described above, which is characterized labeled in ⁇ is characterized in that it comprises a sensor or plurality of sensors for measurement of physical quantities, an acoustic sensor and one with the one or more sensors and the acoustic sensor in Compound connected control device which is adapted to receive signals from the one sensor and the plurality of sensors and the acoustic sensor and to perform a method according to the invention for determining the composition of a gas mixture.
  • the sound absorber onskostory of the corresponding gas mixture determined by the generated multiple reflections are evaluated.
  • the sensor used further or the sensors used further are used to determine the independent physical quantities which form the basis for the correlation calculations carried out.
  • a sensor or sensors use that measure the thermal conductivity and the specific heat capacity of the gas mixture. Therefore, only two sensors are required according to the invention in this variant of the inventive method, namely, a thermal sensor and an acoustic sensor means of which are provided the corresponding values for the correlation calculations, for example, sound speed and sound absorption ⁇ coefficient as well as the mentioned other physical quantities.
  • a computer program product comprising a compu ⁇ terlesbares medium and off on the computer readable medium stored program code is provided, which, when executed on a computing unit or control unit, instructs the computer unit or control unit, an OF INVENTION ⁇ dung invention method for determining the composition to carry out a gas mixture.
  • a computer program for determining the composition of a gas mixture is provided, which is designed to carry out a method according to the invention when executed on a data processing device.
  • the invention will be described below with reference to acitedsbei ⁇ game.
  • the main component ⁇ methane, propane, butane, ethane, CO 2 and 2 of the ent ⁇ speaking gas mixture were quantitatively determined.
  • the heat conductivity and the specific heat capacity of the gas mixture were determined with the aid of a first sensor.
  • a second sensor was used to measure the speed of sound in the gas mixture.
  • the sound absorption coefficient of the gas mixture was determined by means of the provided acoustic sensor by applying sound reflection to the corresponding gas mixture in order to generate multiple reflections. By detecting the decrease in the amplitudes of the multiple reflections, the sound absorption coefficient, i. the total attenuation of the mixture is determined.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches beschrieben. Mehrere voneinander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches werden gemessen, und aus den gemessenen Größen wird über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt. Zusätzlich wird der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt, um eine weitere Größe für die Korrelationsrechnungen zu erhalten. Hierbei wird das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt. Durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen wird der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit des Verfahrens verbessern.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere von¬ einander unabhängige physikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrela- tionsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird .
Zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, beispielsweise zur Messung der Qualität von Erdgas, ist es ent- scheidend, möglichst selektiv die Hauptkomponenten des Gas¬ gemisches quantitativ zu erfassen. Bei Erdgas geht es hierbei z. B. um die Komponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO2 und 2. Speziell die nichtbrennbaren Gase CO2 und 2 spielen bei der Verbrennung hinsichtlich Klopffestigkeit eine wichtige Rolle. Da diese selektive Messung nur sehr schwierig und mit einem erheblichen Messaufwand möglich ist, werden häufig korrelative Techniken angewandt, mit denen aus einzelnen voneinander unabhängigen physikalischen Größen, wie Dichte, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität oder Viskosität, die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches ermittelt wird.
Andere Verfahren sind Infrarotverfahren mit einer teuren und wartungsintensiven Absorptionsmessung .
Die Erfindung geht von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art aus. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Art zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine besonders hohe Genauigkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Art dadurch gelöst, dass zusätzlich der
Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von
Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte
Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Kor¬ relationsrechnungen benutzt wird.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, durch die Zurverfügungstellung einer weiteren physikalischen Größe des zu messenden Gasgemisches die Genauigkeit des Ergebnisses der durchgeführten Korrelationsrechnungen zu verbessern, um auf diese Weise die Zusammensetzung des entsprechenden Gasgemisches auf besonders genaue Weise ermitteln zu können. Dieser Weg wird über die Ermittlung des Schallabsorptionskoeffizienten des Gasgemisches gegangen. Es ist bekannt, dass die Absorption einer Schallwelle in Gasen durch den Absorptionskoeffizienten gemäß folgender Gleichung gekennzeichnet ist: Ax = Ao · e~ax (Ax stellt die Amplitude der Schallwelle nach einem Zurücklegen des Wegs x dar, Ao stellt die Anfangsamplitude der in das Gas eingebrachten Schallwelle dar") . In einem Gasgemisch ergibt sich der Absorptionskoeffizient als eine Mischung aus den einzelnen Absorptionskoeffizienten der Gasbestandteile .
Erfindungsgemäß wird der Schallabsorptionskoeffizient für das gesamte Gasgemisch ermittelt, und dieser Wert wird für die entsprechenden Korrelationsrechnungen eingesetzt. Mithilfe sämtlicher gemessenen und ermittelten Größen kann dann durch geeignete Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt werden, d.h. es können selektiv die Anteile der einzelnen Komponenten ermittelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der gemeinsame
Schallabsorptionskoeffizient des gesamten Gasgemisches er¬ mittelt, d.h. es wird die Gesamtdämpfung des Gemisches bestimmt.
Vorzugsweise werden als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen. Aus diesen drei physikalischen Größen wird in Verbindung mit der Bestimmung des Absorptionskoeffizienten des Gasgemisches (Gesamtdämpfung desselben) über eine geeignete Korrelationsrechnung die Gaszusammensetzung bestimmt.
Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Gasgemisch Verwendung, das einen Gehalt an CO2 aufweist.
Insbesondere wird dabei der C02~Gehalt in Erdgas ermittelt, da CO2 bei der Verbrennung von Erdgas eine wichtige Rolle spielt. Es ist somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem relativ geringen Messaufwand und relativ hoher Genauigkeit möglich, den C02~Gehalt in Erdgas zu bestimmen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die dadurch gekenn¬ zeichnet ist, dass sie einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung von physikalischen Größen, einen akustischen Sensor und eine mit dem einen Sensor oder mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor in Verbindung stehende Steuerungseinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, Signale von dem einen Sensor und den mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor zu empfangen und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches durchzuführen. Mithilfe des akustischen Sensors wird erfindungsgemäß der Schallabsorpti- onskoeffizient des entsprechenden Gasgemisches bestimmt, indem die erzeugten Mehrfachreflexionen ausgewertet werden. Der ferner verwendete Sensor oder die ferner verwendeten Sensoren dienen zur Ermittlung der voneinander unabhängigen physikalischen Größen, die die Basis für die durchgeführten Korrelationsrechnungen bilden .
Insbesondere finden dabei ein Sensor oder Sensoren Verwendung, die die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches messen. Erfindungsgemäß werden daher bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zwei Sensoren benötigt, nämlich ein thermischer Sensor und ein akustischer Sensor, mittels denen die entsprechenden Werte für die Korrelationsrechnungen zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptions¬ koeffizient sowie die erwähnten anderen physikalischen Größen.
Ferner ist ein Computerprogrammprodukt aufweisend ein compu¬ terlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abge- speicherten Programmcode vorgesehen, der, wenn er auf einer Recheneinheit bzw. Steuerungseinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit bzw. Steuerungseinheit anleitet, ein erfin¬ dungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches auszuführen.
Außerdem ist Computerprogramm zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles beschrieben. Um die Qualität von Erdgas zu bestimmen, wurden die Haupt¬ komponenten Methan, Propan, Butan, Ethan, CO2 und 2 des ent¬ sprechenden Gasgemisches quantitativ erfasst. Hierbei wurden mithilfe eines ersten Sensors die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität des Gasgemisches ermittelt. Mithilfe eines zweiten Sensors wurde eine LaufZeitmessung durchgeführt, um die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch zu ermitteln.
Des Weiteren wurde mithilfe des vorgesehenen akustischen Sensors der Schallabsorptionskoeffizient des Gasgemisches bestimmt, indem das entsprechende Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt wurde. Durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen wurde der Schallabsorptionskoeffizient, d.h. die Gesamtdämp- fung, des Gemisches ermittelt.
Die erhaltenen Werte, nämlich Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit und Schallabsorptions¬ koeffizient, wurden dann zur Durchführung von Korrelations- rechnungen verwendet, um die Zusammensetzung des Erdgases nach quantitativen Anteilen zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass durch Hinzufügung des ermittelten Schallabsorptionskoeffi¬ zienten ein besonders genaues Ergebnis in Bezug auf die Zu¬ sammensetzung erzielt werden konnte.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, bei dem mehrere voneinander unabhängige phy¬ sikalische Größen des Gasgemisches gemessen werden und aus den gemessenen Größen über Korrelationsrechnungen die Zusammensetzung des Gasgemisches ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Schallabsorptions¬ koeffizient des Gasgemisches bestimmt wird, indem das Gasgemisch mit Schallwellen zur Erzeugung von Mehrfachreflexionen beaufschlagt und durch Erfassung der Abnahme der Amplituden der Mehrfachreflexionen der
Schallabsorptionskoeffizient ermittelt wird, und dass der ermittelte Schallabsorptionskoeffizient als weitere Größe für die Korrelationsrechnungen benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als voneinander unabhängige physikalische Größen die Wärme¬ leitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und die Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der C02~Gehalt eines CO2 enthaltenden Gasgemisches bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der C02~Gehalt in Erdgas ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Sensor oder mehrere Sensoren zur Messung von physikalischen Größen, einen akustischen Sensor und eine mit dem einen Sensor oder den mehreren Sensoren und dem akustischen Sensor in Verbindung stehende Steuerungs- emrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, Signale von dem einen Sensor oder dem mehreren Sensoren zu empfangen und ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Ermitteln der Zusammensetzung des Gasgemisches durchzuführen .
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder die Sensoren zur Messung von physikalischen Größen die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wär¬ mekapazität des Gasgemisches messen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Sensor sowohl die Schallgeschwindigkeit durch LaufZeitmessung als auch die Gesamtschalldämpfung des Gasgemisches misst.
Computerprogrammprodukt aufweisend ein computerlesbares Medium und auf dem computerlesbaren Medium abgespeicherten Programmcode, der, wenn er auf einer Recheneinheit aus¬ geführt wird, die Recheneinheit anleitet, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
Computerprogramm zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Gasgemisches, wobei das Computerprogramm ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei seiner Ausführung auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung durchzuführen .
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