WO2023232554A1 - Verfahren zur messung eines massendurchflusses eines gasförmigen mediums - Google Patents

Verfahren zur messung eines massendurchflusses eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2023232554A1
WO2023232554A1 PCT/EP2023/063763 EP2023063763W WO2023232554A1 WO 2023232554 A1 WO2023232554 A1 WO 2023232554A1 EP 2023063763 W EP2023063763 W EP 2023063763W WO 2023232554 A1 WO2023232554 A1 WO 2023232554A1
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gas
flow
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Heiko WITZEL
Alexander Stratmann
Theodoros Garavelis
Franziska Seitz
Michael Urhahn
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
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    • G01N2201/066—Modifiable path; multiple paths in one sample
    • G01N2201/0662—Comparing measurements on two or more paths in one sample

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a mass flow of a gaseous medium, in particular gaseous H2, in a flow path with a first measuring point and a second measuring point.
  • the invention relates to a measuring device for carrying out the method for measuring a mass flow of a gaseous medium.
  • DE 10 2009 026 744 Al is concerned with a method and a device for leak testing of components.
  • a component with an inner, closed volume is used, in which a pressure difference is first generated between the closed volume and a volume surrounding the component, so that there is a first pressure in the closed volume and a second pressure in the surrounding volume.
  • DE 102013015033 A1 discloses a flow measuring cell for analyzing fluid media, which can be adapted for universal use to a wide variety of application and measuring conditions and has a flow body that can be changed in its channel structure.
  • the flow measuring cell is particularly suitable for detection methods with optical or electromagnetic radiation, such as (surface-enhanced) Raman spectroscopy (SERS), and is used for the analysis of fluid media, in particular for the detection of substances contained in them.
  • SERS surface-enhanced Raman spectroscopy
  • a measurement of the flow in the measuring cell itself is not described.
  • DE 102006045681 A1 discloses a measuring arrangement and a measuring method for quantitative analysis, which are based on nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy or resonance Raman spectroscopy.
  • the measuring arrangement includes at least one Raman spectrometer, a flow cell and two fluidically connected microchannels.
  • the microchannels of the arrangement can have different cross sections in a predetermined area and can be equipped with an additional, sharp-edged narrowing at junctions.
  • WO 2015/023908 A1 discloses a Raman-based gas analyzer, wherein the gas flows through a line and the detector used is connected by means of one or more hollow core photonic crystal fibers. Hydrogen filling stations work very similarly to traditional fuel filling stations. One difference, however, is that the quantity delivered is stated in kg.
  • OIML International Organization for Metrology
  • OIML R117-1 Dynamic Measuring Systems for Liquids other than Water .- Part 1: Metrological and Technical Requirements 2007
  • Accuracy class of 0.5% is set for such delivery systems.
  • OIML R139-1 Compressed Gaseous Fuel Measuring Systems for Vehicles - Part 1: Metrological and Technical Requirements, 2014
  • OIML R139-1 describes the metrological and technical requirements for compressed gas fuel measurement systems for vehicles (including flow meters). The contents of this document apply to both hydrogen and compressed natural gas, biogas and other types of compressed gaseous fuels.
  • the maximum permissible error is set to 1% for the measurement value of the measuring device and to 1.5% of the measurement value for the entire system. This applies to all possible temperature, pressure and flow conditions that may occur during operation. Hydrogen supplied to a vehicle is often cooled to -40°C before being added to the vehicle tank. Cooling allows for a higher rate of pressure rise and a shorter refueling time.
  • the flow meter can be positioned either before or after the heat exchanger, i.e. H. this measures the hydrogen mass flow at a low but almost constant temperature or, due to compression and Joule-Thompson heating, at an increasing temperature in the range -40°C to 85°C.
  • the influence of the hydrogen temperature on the flow meter is currently not sufficiently researched and the accuracy of the flow measurement under these conditions is therefore not guaranteed.
  • accurate measurement of the quantity is crucial for billing end users of hydrogen.
  • the hydrogen mass flow is currently recorded in gas stations and generally in other gas mass flow measurements using so-called Coriolis flow meters.
  • a method for measuring a mass flow of a gaseous medium, in particular gaseous H2, in a flow path with a first measuring point and a second measuring point with the following method steps is proposed: a) arranging the first measuring point and the second measuring point at a distance from one another along the flow path, the first measuring point and the second measuring point being connected to one another through the flow path, b) measuring the substance concentration of the mass flow at the first measuring point in a first flow cross section of the flow path , c) measuring the substance concentration of the mass flow at the second measuring point in a second flow cross section of the flow path and d) determining the mass flow by comparing the first measurement at the first measuring point and the second measuring point according to method steps b) and c).
  • the mass flow rate to be measured is measured directly by comparison at two points that are connected to one another in terms of fluid flow and where there is a different pipe cross section, or at a pipe constriction.
  • dm/dt p • A • v
  • the mass flow of a mass flow in a pipe is constant.
  • An average velocity v and a gas density p are different at the two measuring points, depending on the pipe cross-section present there, when a gas flows through.
  • a mass flow can be measured through simultaneous measurements at the two measuring points, since the two recorded substance concentrations then differ from one another.
  • the measurements are carried out at the first measuring point and at the second measuring point using respective measuring devices to determine the Raman scattered light.
  • Raman scattered light is recorded at the first measuring point and at the second measuring point using optics that amplify Raman scattering intensity and the Raman scattered light is fed to a spectral analysis unit.
  • measurements are taken simultaneously at the first measuring point and at the second measuring point and the mass flow rate of the gaseous medium is determined from different Raman scattered light (intensities) at the first measuring point and at the second measuring point.
  • the Raman signal is added at one measuring point if it deviates from that measured at another measuring point.
  • interruptions in the mass flow of the gaseous medium are detected by carrying out a timed measurement, with a clock rate that depends on a rate of change in density of the gaseous medium, a sensitivity and the measuring range at the first and second measuring points measuring devices used.
  • the clock rate of the measuring device is in the millisecond range.
  • a Raman gas signal is adjusted once at a gas concentration.
  • the mass flow of the gaseous medium runs either through a straight flow path or, for example, through a curved flow path having a 180 ° deflection.
  • the gaseous medium is guided through the flow path in particular as a laminar flow.
  • the invention also relates to a measuring device for carrying out the method, the measuring device comprising in particular a laser diode which illuminates the gas or the gas mixture in a focused manner at the two measuring points in the visual spectral range and Raman scattered light from the focused illuminated gas or gas mixture through a The optical system with filters and apertures that amplify the physical Raman scattering intensity of the scattered light feeds it to a spectral analysis unit.
  • the solution proposed according to the invention makes it possible to measure the mass flow of a gaseous medium, in particular hydrogen, outside of laboratories.
  • the mass flow is measured by comparing determined Raman signals at two measuring points in a flow section where a different flow cross section is available for the gaseous medium.
  • the mass flow of a gas flow in the pipe is constant.
  • the average gas velocity v and the gas density p are different at the two measuring points depending on the pipe cross sections prevailing there when a gas flows. This difference does not occur with a stationary gas.
  • a measurement carried out simultaneously at the two measuring points thus allows the measurement of a mass flow rate, since the Raman signals determined at the two measuring points must be different due to the different flow cross sections.
  • the mass flow can be determined directly from the flow duration with a measurement during the mass flow. Due to thermal and pressure-related effects and/or fueling interruptions, there is no constant mass flow. The Discontinuities are discovered and pressure and thermal density changes are measured directly.
  • the Raman signal is recorded and added up during the entire refueling or mass flow period. However, a Raman signal is not recorded over the entire measurement period, but rather a timed measurement takes place.
  • the clock rate must be set depending on the density change rate, the sensitivity and measuring range of the Raman measuring system used and the required measuring accuracy.
  • Raman spectroscopy is designed as a method that directly measures the particles or mass and does not have such adjustment restrictions.
  • the Raman gas signal must be adjusted once at a gas concentration. Due to the strict linearity of the Raman effect due to physics, a one-point calibration is completely sufficient. Furthermore, this can be adjusted in advance in the calibration laboratory on standing gas, for example as a measuring sensor unit. In particular, however, no adjustment is necessary for mass flow at the measurement location, which simplifies handling enormously.
  • changing gas components can also be recognized directly when measuring gas mixtures and the resulting changes in calorific value can be determined immediately.
  • the measured gas concentration proportions here in particular the hydrogen - and called the methane concentration.
  • the two measuring points at which the Raman spectroscopy of the gaseous medium is carried out can be attached either to a straight flow cross section or to a curved flow path.
  • FIG. 1 shows a representation of the structure of a measuring device for carrying out the method proposed according to the invention
  • FIG. 2 shows an expanded structure of the measuring device for carrying out a measurement at two measuring points which are arranged connected to one another along a flow path
  • Figure 3 shows a representation of a measuring arrangement with a first and a second measuring point, which are each assigned to different flow cross sections of a flow path that has just been formed;
  • Figure 4 shows an alternative embodiment of a flow path as a flow path having a 180 ° deflection and
  • Figures 5 - 8 sketches for determining the mass flow and illustrating a Venturi tube.
  • Figure 1 shows in a schematic manner the structure of a measuring device 10 proposed according to the invention.
  • This comprises, as the radiation source 12, a high-power laser 14, in particular at least one laser diode 16.
  • the radiation source 12 as shown in Figure 1 is followed by a focusing optics 18, which is only indicated schematically here, which focuses the laser radiation, which is generated by the at least one laser diode 16, onto a part of a gas measurement space 20.
  • a gas 22 or a gas mixture 24 is contained in the gas measurement room 20.
  • the gas measurement room 20 can be part of a bypass line 26 through which a gas stream 66, for example gaseous H2, flows.
  • the gas measurement room 20 includes at least one optical input 28 and at least one optical output 30 for the laser radiation generated by the at least one laser diode 16.
  • Raman scattered light 34 reaches a Raman scattering intensity-enhancing optics 36, which is part of a spectral analysis unit 38.
  • the spectral analysis unit 38 also includes a light detector 48, for example in the form of a CCD camera 50 or a CMOS component and/or a number of receiver diodes.
  • gases 22 or gas mixtures 24 can also be measured in different pressure and temperature ranges.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of the measuring device 10 already described in connection with FIG. 1.
  • the difference between the embodiment variants shown in FIG. 1 and FIG. 2 is that in the structure of the measuring device 10 shown in FIG. 2, an additional gas measurement space 56 is provided.
  • This preferably serves as a calibration cell 58 and comprises a known gas concentration 60, for example 100% N2.
  • the laser light coupled out of the gas measurement room 20 does not enter the radiation absorber 32 directly, but is coupled into a further gas measurement room 56 upstream of the radiation absorber 32, which represents the calibration cell 58.
  • the high-power laser 14 in the form of the laser diode 16 is provided as the radiation source 12.
  • the above-mentioned further gas measurement room 56 comes into play, into which the laser beam is coupled.
  • this further gas measurement room 56 which serves as a calibration cell 58, there is a known gas concentration 60, for example 100% N2. From From the further gas measurement room 56, the laser radiation now reaches the radiation absorber 32 to avoid interference, analogous to the structure of the measuring device 10 according to FIG.
  • a parallel measurement 64 can be carried out with the structure according to FIG.
  • Raman scattered light intensity-enhancing optics 36 are supplied in parallel with Raman scattered light 34 from the gas measurement room 20 on the one hand and Raman scattered light 34 from the further gas measurement room 56, which serves as a calibration cell 58, on the other hand.
  • the Raman scattered light intensity-enhancing optics 36 therefore receive two scattered light components that can be measured parallel to one another within the Raman scattered light intensity-enhancing optics 36.
  • the Raman scattered light 62 from the further gas measurement room 56 which serves as a calibration cell 58, is additionally guided into the Raman scattered light intensity-enhancing optics 36 by means of the parallel measurement 64 and reaches the light detector 48 in the form of a CCD camera 50, a CMOS component or a number of receiver diodes.
  • the parallel measurement 64 of a gas 22 that is not in the gas stream 66 can also be measured directly.
  • signal fluctuations of the light detector 48 are also detected.
  • the Raman scattered light measurements can then be recalibrated accordingly as part of the evaluations of the Raman scattered light 34 from the gas measurement room 20.
  • a self-calibration can also be created in the event that the same gases are present in the gas measurement rooms 20, 56 and within the scope of the Raman scattered light intensity-enhancing optics 36 a separation 68 of the Raman scattered light components that come from the Gas measurement room 20 and from the further gas measurement room 56 come from.
  • These can be detected in parallel as part of a parallel measurement 64 in the light detector 48, which can be a CCD camera 50, for example.
  • the representation according to Figure 3 shows a measuring arrangement with a substantially horizontally extending measuring section, on which there are two measuring points connected to one another via the measuring section.
  • the measuring devices 10 shown in their two embodiment variants in FIGS. 1 and 2 are installed in the illustration according to FIG. 3 at a first measuring point 86 shown there or at a second measuring point 90, which are assigned to a flow path 80. These are used to measure the mass flow of the gaseous medium, in particular H2, in gaseous form. 1, a gas stream 66, in particular gaseous H2, flows through the flow path 80 in the flow direction 82. At the first measuring point 86 and at the second measuring point 90, the mass flow is measured via the two measuring devices 10 arranged there, which work according to Raman spectroscopy.
  • a constriction 92 and a bypass could also be provided.
  • the flow direction of the gas stream 66 could also run opposite to the flow direction 82 according to FIG.
  • Raman signals ⁇ t>i 96 are obtained at the two measuring points 86, 90 and a Raman signal ⁇ £2 98 at the second measuring point 90.
  • the mass flow of the gas stream 66 through the flow path 80 is constant.
  • the average speed v and the gas density p are different at the first measuring point 86 and at the second measuring point 90, depending on the flow cross sections 84, 88 present there, in the case that a gas flows through the flow path 80, but not when the gas is stationary.
  • the measuring arrangement proposed according to the invention shown schematically in FIG Particle or directly determine the mass flow according to the relationship shown above from the flow duration.
  • thermo mass flow sensors thermo mass flow sensors, pressure difference measurement sensors
  • the measuring method carried out by the measuring devices 10 operating according to Raman spectroscopy, which are used at the first measuring point 86 and at the second measuring point 90, enables a direct measurement of particle or mass flow without restrictions.
  • the Raman gas signal must be adjusted once at a gas concentration. Due to the strict linearity of the Raman effect due to physics, a one-point calibration is sufficient. Furthermore, this can also be adjusted in advance as a measuring sensor unit, for example in the calibration laboratory, on stationary gas, i.e. if the gas stream 66 is not present. An adjustment for mass flow at the measurement location is therefore not necessary.
  • changing gas components can also be directly detected when measuring gas mixtures and the resulting changes in calorific value can be determined directly. If, for example, natural gas networks are enriched with hydrogen gas, as planned in the future, not only can the amount of gas or gas mass released be determined using the method proposed according to the invention, but also the changing calorific value can be determined directly from the measured gas concentration components, here hydrogen and methane concentration.
  • FIG. 4 shows an alternative design option for the measuring arrangement according to FIG. 3, in which a curved flow path is designed.
  • FIG 4 shows that the measuring devices 10 shown in Figures 1 and 2 can be integrated into a unit.
  • the high-power laser 14, preferably equipped with a laser diode 16 is operated in the visual, for example blue, spectral range.
  • the laser diode 16 is assigned a focusing optics 18, with which the gas to be measured, ie the gas stream 66, which enters a curved flow path 114, is illuminated in a focused manner within a first pipe section 108.
  • the gas stream 66 is illuminated directly through suitable optical accesses, such as windows, at the first measuring point 86.
  • the laser beam is then guided out of the gas area to be measured via appropriate optical accesses and then introduced via optics 102, analogous to the first pipe section 108, into a second pipe section 110, in which the second measuring point 90 is located.
  • optics 102 analogous to the first pipe section 108
  • a small portion of the laser beam that is guided out can be guided into further detection optics 106 via a beam splitter 104, whereas the remaining portion is guided into an optical component, in particular a radiation absorber 32, to avoid interference flow.
  • the recording of the laser beam intensity in the detection optics 106 (?) of the actual scattered light serves to monitor and, if necessary, correct the Raman signals ⁇ t> when the laser beam power is not stable and alternatively when the laser light source is sufficiently stable, i.e. H. the laser diodes 16 are omitted.
  • the laser beam emerging from the second measuring point 90 is absorbed directly in the radiation absorber 32.
  • the detection of the Raman scattered light 34 from the two measuring points 86, 90 takes place via the additional optics 106, which can also be referred to as detection optics.
  • the Raman scattered light 34 is recorded from the focused illuminated gas area and a spectral analysis unit 38, preferably a spectrograph with a light detector, for example in the form of a CCD camera 50 with corresponding receiver diodes at the locations of the Raman wavelengths of the gas(es) to be examined. s or the gas stream 66 or gas mixture.
  • the gas flow through the curved flow section 114 which has a 180 ° deflection 112 and is therefore divided into the two pipe sections 108 and 110 with different flow cross sections 84, 88, is carried out in such a way that a laminar flow at the two measuring points 86 and 90 assigned measuring devices 10 is present.
  • the two measuring points 86, 90 in the embodiment variant of the flow path 80 shown in Figure 3 are separated from one another by a distance 100, whereas in the alternative embodiment variant shown in Figure 4, the two measuring points 86, 90 on the parallel pipe sections 108 and 110 lie opposite each other.
  • the arrangement according to FIG. 4 has only one radiation source 12 in the form of a high-power laser 14, whereas in the arrangement according to FIG. 3 two high-power lasers would be required.
  • the Raman signal is calibrated by determining a.
  • Boltzmann constant
  • a can be determined at a known pressure and temperature on the gaseous medium whose mass flow is to be measured.
  • Equation (11) transformed gives a velocity ratio according to the following relationship: v 2 pi Ai - ⁇ - % - (12)
  • the mass flow in the gas stream 66 to be measured can be determined using the Raman signal measurements at the two measuring points 86, 90.
  • the mass flow can be determined by measuring the gas density using Raman spectroscopy at a measuring point and simultaneously measuring the gas velocity.
  • the gas velocity can be determined by direct measurement, for example with a Pitot tube or a Prandl pitot tube.
  • An extension of a Raman measurement setup is to be provided to include a speedometer.
  • the gas flow rate only depends on the pressure before and after the gas flow tube, in which the gas density is then measured using the Raman method described.
  • the pressure- and temperature-dependent gas viscosity, pipe radius and pipe lengths are assumed to be constant.
  • the gas velocity is constant and the mass flow to be determined can be determined solely by the density determinations Raman measurement can be determined.
  • the pressures pi and P2 are also measured below the temperature T.
  • the Raman measurement setup according to Figures 1 and 2 only needs to be supplemented with a pre- and post-pressure meter for measuring the pressures pi and P2 and a temperature sensor for measuring the temperature.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums, insbesondere gasförmiges H2, in einer Strömungsstrecke (80, 114) mit einer ersten Messstelle (86) und einer zweiten Messstelle (90) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: Anordnung der ersten Messstelle (86) und der zweiten Messstelle (90) in einem Abstand (100) zueinander entlang der Strömungsstrecke (80, 114), wobei die erste Messstelle (86) und die zweite Messstelle (90) durch die Strömungsstrecke (80, 114) miteinander verbunden sind. Es erfolgt eine Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der ersten Messstelle (86) in einem ersten Strömungsquerschnitt (84) der Strömungsstrecke (80, 114), ferner erfolgt eine Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der zweiten Messstelle (90) in einem zweiten Strömungsquerschnitt (88) der Strömungsstrecke (80, 114). Eine Ermittlung des Massendurchflusses erfolgt durch Vergleich der Messungen an der ersten Messstelle (86) und der zweiten Messstelle (90) gemäß den Messungen der Massendurchflüsse an der ersten Messstelle (86) und an der zweiten Messstelle (90).

Description

Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums, insbesondere von gasförmigem H2 in einer Strömungsstrecke mit einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums.
Stand der Technik
DE 10 2009 026 744 Al hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dichtheitsprüfung von Bauteilen zum Gegenstand. Es wird ein Bauteil mit einem inneren, abgeschlossenen Volumen eingesetzt, bei dem zunächst ein Druckunterschied zwischen dem abgeschlossenen Volumen und einem das Bauteil umgebenden Volumen erzeugt wird, so dass im abgeschlossenen Volumen ein erster Druck und im umgebenden Volumen ein zweiter Druck herrscht.
Aus der Publikation „Effizienzsteigerung und Umweltschutz beim Betrieb von Biogasanlagen mittels miniaturisierter Multigas-Sensorik (BioSens)“, LASOS Lasertechnik GmbH & Leibniz Institut für Photonische Technologie (IPT), Jena, 2016, wird ein Resonanzresonator zur Raman-Signalerhöhung zur Gasdetektion bei Biogasanlagen vorgeschlagen (mko_Abschlussbericht BioSens_b_mko_1612212c (dbu.de)). DE 102013015033 A1 offenbart eine Durchfluss-Messzelle zur Analytik fluider Medien, welche zur universellen Verwendung an unterschiedlichste Einsatz- und Messbedingungen anpassbar ist und einen in seiner Kanalstruktur veränderbaren Durchflusskörper aufweist. Dabei sind etwa Ausführungen mit anders gestaltetem Kanalsystem, wie variablen Kanalformen, -verläufen und -geometrien, bspw. auch Kanäle mit Zonen unterschiedlicher Fließgeschwindigkeit des fluiden Mediums für spezielle oder unterschiedliche Nachweismethoden, denkbar. Die Durchfluss- Messzelle ist dabei insbesondere für Nachweismethoden mit optischer bzw. elektromagnetischer Strahlung, wie etwa (oberflächenverstärkte) Raman- Spektroskopie (SERS), geeignet und wird zur Analytik fluider Medien, insbesondere zum Nachweis von in diesen enthaltenen Substanzen, eingesetzt. Eine Messung des Durchflusses in der Messzelle selbst ist nicht beschrieben. DE 102006045681 A1 offenbart eine Messanordnung und ein Messverfahren für die quantitative Analytik, die auf der nanopartikelverstärkten Raman-Spektroskopie bzw. Resonanz-Raman-Spektroskopie basieren. Dafür umfasst die Messanordnung zumindest ein Raman-Spektrometer, eine Durchflussküvette sowie zwei fluidisch verbundene Mikrokanäle. Somit kann eine flüssig/flüssig-Zweiphasenströmung erzeugt und für die Messung genutzt werden. Die Mikrokanäle der Anordnung können verschiedene Querschnitte in einem vorgegebenen Bereich aufweisen und an Einmündungen mit einer zusätzlichen, scharfkantig begrenzten Verengung ausgestattet sein. WO 2015/023908 A1 offenbart einen Raman-basierten Gasanalysator, wobei das Gas durch eine Leitung strömt und der verwendete Detektor mittels einer oder mehrerer Hohlkern-photonischer Kristall-Faser/n angebunden ist. Wasserstofftankstellen funktionieren sehr ähnlich wie herkömmliche Kraftstofftankstellen. Ein Unterschied liegt jedoch darin, dass die gelieferte Menge in kg angegeben wird. Wie derzeit bei Kraftstoffdispensern, die Benzin, Diesel oder komprimiertes Erdgas für konventionelle Fahrzeuge liefern, muss die abgegebene Kraftstoffmenge gemessen werden, damit dem Kunden nach dem Auftanken die richtige Menge in Rechnung gestellt werden kann. Die Möglichkeit, die Menge an flüssigem Kraftstoff zu quantifizieren, wird über eine von der Internationalen Organisation für Metrologie (OIML) herausgegebene Empfehlung, nämlich OIML R117-1 (Dynamic Measuring Systems for Liquids other than Water .- Part 1: Metrological and Technical Requirements 2007) geregelt. Dort wird eine Genauigkeitsklasse von 0,5 % für derartige Abgabesysteme festgesetzt. Die Richtlinie OIML R139-1 (Compressed Gaseous Fuel Measuring Systems for Vehicles - Part 1: Metrological and Technical Requirements, 2014) beschreibt die metrologischen und technischen Anforderungen an Druckgas- Kraftstoffmesssysteme für Fahrzeuge (einschließlich Durchflussmesser). Die Inhalte dieses Dokuments gelten sowohl für Wasserstoff als auch für komprimiertes Erdgas, Biogas und andere Arten von komprimierten gasförmigen Brennstoffen.
In dieser Empfehlung beziehungsweise Richtlinie wird der maximal zulässige Fehler für die Messgröße des Messgeräts auf 1 % und für das gesamte System auf 1,5 % der Messgröße festgelegt. Dies gilt für alle möglichen Temperatur-, Druck- und Durchflussbedingungen, die während des Betriebs auftreten können. Einem Fahrzeug zugeführter Wasserstoff wird vor der Zufuhr in den Fahrzeugtank häufig auf -40° C abgekühlt. Die Abkühlung ermöglicht eine höhere Druckanstiegsrate und eine kürzere Betankungszeit. Der Durchflussmesser kann entweder vor oder nach dem Wärmetauscher positioniert werden, d. h. dieser misst den Wasserstoffmassenfluss bei einer niedrigen, aber nahezu konstanten Temperatur oder, aufgrund von Kompression und Joule-Thompson-Erwärmung, bei einer ansteigenden Temperatur im Bereich von -40° C bis 85°C. Der Einfluss der Wasserstofftemperatur auf den Durchflussmesser ist derzeit nicht ausreichend erforscht und die Genauigkeit der Durchflussmessung unter diesen Bedingungen ist damit nicht sichergestellt. Eine genaue Messung der Menge ist für die Abrechnung der Endverbraucher von Wasserstoff jedoch von entscheidender Bedeutung. Derzeit wird der Wasserstoffmassenfluss in Tankstellen und im Allgemeinen bei sonstigen Gasmasseflussmessungen mit sogenannten Coriolis-Durchflussmessern erfasst.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums, insbesondere gasförmigen H2, in einer Strömungsstrecke mit einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle mit nachfolgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen: a) Anordnen der ersten Messstelle und der zweiten Messstelle in einem Abstand zueinander entlang der Strömungsstrecke, wobei die erste Messstelle und die zweite Messstelle durch die Strömungsstrecke miteinander verbunden sind, b) Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der ersten Messstelle in einem ersten Strömungsquerschnitt der Strömungsstrecke, c) Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der zweiten Messstelle in einem zweiten Strömungsquerschnitt der Strömungsstrecke und d) Ermittlung des Massendurchflusses durch Vergleich der ersten Messung an der ersten Messstelle und der zweiten Messstelle gemäß den Verfahrensschritten b) und c).
Unter Einsatz zweier Raman-Messeinrichtungen wird der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend der auszumessende Massendurchfluss an zwei strömungstechnisch miteinander verbundenen Stellen, an denen ein unterschiedlicher Rohrquerschnitt vorliegt, oder an einer Rohrverengung, direkt durch einen Vergleich gemessen. Nach dem Kontinuitätsgesetz dm/dt = p • A • v ist der Massenstrom eines Massendurchflusses in einem Rohr konstant. Eine mittlere Geschwindigkeit v und eine Gasdichte p sind an den beiden Messstellen, abhängig vom jeweils dort vorliegenden Rohrquerschnitt, unterschiedlich, wenn ein Gas durchfließt. Durch gleichzeitige Messungen an den beiden Messstellen kann somit ein Massendurchfluss gemessen werden, da die beiden erfassten Stoffkonzentrationen sich dann voneinander unterscheiden.
In vorteilhafter Weise werden an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle die Messungen mit jeweiligen Messeinrichtungen zur Ermittlung des Raman-Streulichts vorgenommen.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle eine Aufnahme von Raman-Streulicht mit einer eine Raman-Streuintensität verstärkenden Optik vorgenommen und das Raman-Streulicht einer spektralen Analyseeinheit zugeführt. In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle gleichzeitig gemessen und aus voneinander abweichenden Raman-Streulicht (-Intensitäten) an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle wird der Massendurchfluss des gasförmigen Mediums bestimmt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird zur Bestimmung der durch die Strömungsstrecke strömenden Masse das Raman-Signal an einer Messstelle addiert, wenn es von dem an einer anderen Messstelle gemessenen abweicht.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens werden Unterbrechungen im Massendurchfluss des gasförmigen Mediums detektiert, indem eine zeitlich getaktete Messung durchgeführt wird, mit einer Taktrate, die abhängig ist von einer Dichteänderungsrate des gasförmigen Mediums, einer Sensitivität und dem Messbereich der an der ersten und zweiten Messstelle eingesetzten Messeinrichtungen.
In vorteilhafter Weise liegt beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Taktrate der Messeinrichtung im Millisekundenbereich.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird bei der Messung des Massendurchflusses mit der Messeinrichtung ein Raman-Gassignal einmalig bei einer Gaskonzentration einjustiert.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren werden bei Vermessungen von Gasgemischen sich ändernde Gasanteile direkt erkannt und sich daraufhin einstellende, daraus resultierende Brennwertänderungen unmittelbar bestimmbar.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens verläuft der Massendurchfluss des gasförmigen Mediums entweder durch eine gerade Strömungsstrecke oder beispielsweise durch eine eine 180°-Umlenkung aufweisende, gekrümmte Strömungsstrecke. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Gasführung des gasförmigen Mediums durch die Strömungsstrecke insbesondere als laminare Strömung.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Messeinrichtung insbesondere eine Laserdiode umfasst, welche das Gas oder das Gasgemisch an den beiden Messstellen im visuellen Spektralbereich fokussiert beleuchtet und Raman- Streulicht aus dem fokussiert beleuchteten Gas oder Gasgemisch durch eine die physikalische Raman-Streuintensität des Streulichts verstärkendes optisches System mit Filtern und Blenden einer spektralen Analyseeinheit zuführt.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich außerhalb von Laboren der Massenfluss eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff messen. Das Messen des Massenflusses erfolgt durch einen Vergleich ermittelter Raman-Signale an zwei Messstellen einer Strömungsstrecke, an denen ein unterschiedlicher Strömungsquerschnitt für das gasförmige Medium zur Verfügung steht. Nach dem Kontinuitätsgesetz (dm/dt = p • A • v) ist der Massenstrom eines Gasdurchflusses im Rohr konstant. Die mittlere Gasgeschwindigkeit v und die Gasdichte p sind an den beiden Messstellen in Abhängigkeit von den dort herrschenden Rohrquerschnitten unterschiedlich, wenn ein Gas fließt. Dieser Unterschied ergibt sich bei einem stehenden Gas eben nicht. Eine gleichzeitig vorgenommene Messung an den beiden Messstellen erlaubt somit die Messung eines Massendurchflusses, da die an den beiden Messstellen ermittelten Raman-Signale aufgrund der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte unterschiedlich sein müssen.
Mithilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann im Anwendungsfall eines sich konstant einstellenden Massendurchflusses durch Vergleich der beiden Raman-Signale an den beiden Messstellen erkannt werden, wann das Gas fließt, und es kann mit einer Messung während des Massendurchflusses direkt der Massenfluss aus der Fließdauer ermittelt werden. Aufgrund thermischer und druckbedingter Effekte und/oder bei Betankungsunterbrechungen herrscht kein konstanter Massenfluss. Die Unterbrechungen werden entdeckt und die druck- und thermisch bedingten Dichteänderungen werden direkt gemessen. Dazu wird während der gesamten Betankungs- bzw. Massendurchflussdauer das Raman-Signal aufgezeichnet und aufaddiert. Hierbei wird jedoch nicht ein Raman-Signal über die gesamte Messdauer aufgenommen, sondern es erfolgt eine zeitlich getaktete Messung. Die Taktrate ist in Abhängigkeit von der Dichteänderungsrate, der Sensitivität und des Messbereichs des eingesetzten Raman-Messsystems und der benötigten Messgenauigkeit einzustellen.
Bekannte, indirekt messende Gasmasseflussmesser, thermische Masseflusssensoren und Druckdifferenzmessungssensoren sind hier prinzipbedingt nicht mehr einsetzbar. Die bisher Anwendung findenden Coriolisdurchflussmesser sind bei Flüssigdurchflüssen etabliert, preiswert und marktverfügbar; bei Gasanwendungen hingegen, bei denen moderate thermische und Druckeinflüsse herrschen, müssen indirekt messende Verfahren aufwändig justiert werden.
Die Raman-Spektroskopie hingegen ist als ein direkt die Teilchen beziehungsweise die Masse messendes Verfahren ausgelegt, welches derartige Justagebeschränkungen nicht kennt. Das Raman-Gassignal muss einmalig bei einer Gaskonzentration justiert werden. Aufgrund der physikalisch bedingten strengen Linearität des Raman-Effekts reicht eine Ein-Punkt-Kalibrierung vollständig aus. Ferner kann dieses an stehendem Gas, so zum Beispiel als Messsensoreinheit vorab im Kalibrierlabor einjustiert werden. Es ist jedoch insbesondere keine Justage bei Massendurchfluss am Ort der Messung nötig, was die Handhabung enorm vereinfacht.
Ferner können durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Messverfahren prinzipbedingt bei Vermessungen von Gasgemischen auch sich ändernde Gasanteile direkt erkannt werden und sich daraus ergebende Brennwertänderungen sofort bestimmt werden. Es lassen sich beispielsweise, wie in der Zukunft geplant, wenn Erdgasnetze mit Wasserstoff angereichert werden, bei Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens nicht nur die abgegebenen Gasmengen beziehungsweise Gasmassen, sondern auch die sich direkt ändernden Brennwerte aus den gemessenen Gaskonzentrationsanteilen bestimmen, hier seien insbesondere die Wasserstoff- und die Methankonzentration genannt. Darüber hinaus ist in Bezug auf die erfindungsgemäß vorgeschlagene Messeinrichtung hervorzuheben, dass die beiden Messstellen, an denen die Raman-Spektroskopie des gasförmigen Mediums vorgenommen wird, entweder an einem geraden Strömungsquerschnitt oder auch an einer gekrümmten Strömungsstrecke angebracht werden können. Neben dem Vorteil eines kompakten Messaufbaus bei Einsatz einer gekrümmten, eine 180°-Umlenkung aufweisenden Messstrecke und geringeren Kosten durch Entfall eines zweiten Lasers liegt ein wesentlicher Vorteil in der Verwendung einer einzigen Raman- Anregungsquelle. Damit sind die Raman-Signale an den Detektoren in der spektralen Lage gleich und bei stehendem Gas aufgrund der direkten Proportionalität zur Laserleistung auch hinsichtlich ihrer Intensitäten gleich. Der nötige Vergleich der Raman-Messstellen zur Erkennung des Massendurchflusses gestaltet sich somit äußerst einfach, was in der Praxis erhebliche Vorteile mit sich bringt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Darstellung des Aufbaus einer Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens,
Figur 2 ein erweiterter Aufbau der Messeinrichtung zur Durchführung einer Messung an zwei Messstellen, die miteinander verbunden entlang einer Strömungsstrecke angeordnet sind,
Figur 3 die Darstellung einer Messanordnung mit einer ersten und einer zweiten Messstelle, die jeweils unterschiedlichen Strömungsquerschnitten einer gerade ausgebildeten Strömungsstrecke zugeordnet sind; Figur 4 eine alternative Ausführung einer Strömungsstrecke als eine eine 180°-Umlenkung aufweisende Strömungsstrecke und
Figuren 5 - 8 Skizzen zur Ermittlung des Massendurchflusses und zur Veranschaulichung eines Venturi-Rohrs.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10. Diese umfasst als Strahlungsquelle 12 einen Hochleistungslaser 14, insbesondere mindestens eine Laserdiode 16. Diese wird innerhalb des sichtbaren Spektralbereichs, insbesondere innerhalb des blauen Spektralbereichs betrieben. Der Strahlungsquelle 12 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist eine fokussierende Optik 18, die hier nur schematisch angedeutet ist, nachgeschaltet, die die Laserstrahlung, die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugt wird, auf einen Teil eines Gasvermessungsraums 20 fokussiert. Im Gasvermessungsraum 20 ist ein Gas 22 oder ein Gasgemisch 24 enthalten. Der Gasvermessungsraum 20 kann Teil einer Bypassleitung 26 sein, die von einem Gasstrom 66, beispielsweise gasförmigem H2, durchströmt wird.
Der Gasvermessungsraum 20 umfasst mindestens einen optischen Eingang 28 sowie mindestens einen optischen Ausgang 30 für die durch die mindestens eine Laserdiode 16 erzeugte Laserstrahlung.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht des Weiteren hervor, dass aus dem mindestens einen optischen Ausgang 30 austretende Laserstrahlung in einen Strahlungsabsorber 32 gelangt, um Streulichteinflüsse zu vermeiden.
Aus dem Gasvermessungsraum 20 gelangt Raman-Streulicht 34 in eine Raman- Streuintensität-verstärkende Optik 36, die Teil einer spektralen Analyseeinheit 38 ist. Diese umfasst einen Spektrographen 40, der mindestens ein dispergierendes Element umfasst, welches beispielsweise als ein Gitter sowie mindestens ein Prisma ausgestaltet sein kann. Es können auch mehrere Gitter und mehrere Prismen vorgesehen sein sowie Kombinationen aus Gittern und Prismen. Die spektrale Analyseeinheit 38 umfasst daneben einen Lichtdetektor 48, beispielsweise in Gestalt einer CCD-Kamera 50 oder eines CMOS-Bauelements und/oder einer Anzahl von Empfängerdioden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass innerhalb des Lichtdetektors 48 Empfängerdioden an den Stellen der Raman-Wellenlängen des/der zu untersuchenden Gase/s angeordnet sind. Durch eine geeignete Ausführung des Bypasses 26 oder die Nutzung optischer Fenster im Gasvermessungsraum 20 können somit auch Gase 22 oder Gasgemische 24 in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen vermessen werden.
Der Darstellung gemäß Figur 2 ist eine Ausführungsvariante der im Zusammenhang mit Figur 1 bereits beschriebenen Messeinrichtung 10 zu entnehmen. Der Unterschied der in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Ausführungsvarianten liegt darin, dass in dem in Figur 2 dargestellten Aufbau der Messeinrichtung 10 ein zusätzlicher weiterer Gasvermessungsraum 56 vorgesehen ist. Dieser dient vorzugsweise als Kalibrierzelle 58 und umfasst eine bekannte Gaskonzentration 60, so zum Beispiel 100 % N2.
Gemäß Figur 2 tritt das aus dem Gasvermessungsraum 20 ausgekoppelte Laserlicht nicht unmittelbar in den Strahlungsabsorber 32 ein, sondern wird in einen dem Strahlungsabsorber 32 vorgeschalteten weiteren Gasvermessungsraum 56 eingekoppelt, der die Kalibrierzelle 58 darstellt.
Auch in der Variante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messeinrichtung 10 gemäß Figur 2 ist als Strahlungsquelle 12 der Hochleistungslaser 14 in Gestalt der Laserdiode 16 vorgesehen. Diesem ist die fokussierende Optik 18 nachgeschaltet, nach deren Passage der Laserstrahl an mindestens einem optischen Eingang 28 in den Gasvermessungsraum 20 eingekoppelt wird. In diesem befindet sich das fokussiert zu beleuchtende Gas 22 beziehungsweise das Gasgemisch 24, welches den Bypass 26, beispielsweise in Form des Gasstroms 66, passiert. Nach Passage des Gasvermessungsraums 20 kommt der oben erwähnte, weitere Gasvermessungsraum 56 ins Spiel, in welchen der Laserstrahl eingekoppelt wird. In diesem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, befindet sich eine bekannte Gaskonzentration 60, so zum Beispiel 100 % N2. Von dem weiteren Gasvermessungsraum 56 aus gelangt die Laserstrahlung nun in den Strahlungsabsorber 32 zur Vermeidung von Störeinflüssen analog zum Aufbau der Messeinrichtung 10 gemäß Figur 1.
Im Unterschied zur Ausführungsvariante der Messeinrichtung 10 gemäß Figur 1 kann mit dem Aufbau nach Figur 2 eine Parallelvermessung 64 vorgenommen werden. Dazu werden der Raman-Streulicht-Intensitätsverstärkenden Optik 36 parallel jeweils Raman-Streulicht 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 einerseits und Raman-Streulicht 34 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, andererseits zugeführt. Mithin erhält die Raman-Streulicht- Intensiätsverstärkende Optik 36 zwei Streulichtanteile, die innerhalb der Raman- Streulichtintensitätsverstärkenden Optik 36 parallel zueinander vermessen werden können. Das Raman-Streulicht 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56, der als Kalibrierzelle 58 dient, wird zusätzlich mittels der Parallelvermessung 64 in die Raman-Streulichtintensitätsverstärkende Optik 36 geleitet und gelangt auf den Lichtdetektor 48 in Gestalt einer CCD-Kamera 50, eines CMOS-Bauteils oder einer Anzahl von Empfängerdioden.
Je nach Anwendungsfall kann zum Beispiel die Parallelvermessung 64 von einem nicht im Gasstrom 66 befindlichen Gas 22 direkt mit vermessen werden. Somit werden neben Laserleistungsschwankungen auch Signalschwankungen des Lichtdetektors 48 erfasst.
Aus der Vermessung des Raman-Streulichts 62 aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 können dann die Raman-Streulichtmessungen im Rahmen der Auswertungen des Raman-Streulichts 34 aus dem Gasvermessungsraum 20 entsprechend nachkalibriert werden. Mit dem Aufbau der Messeinrichtung 10 gemäß Figur 2 kann auch eine Selbstkalibrierung geschaffen werden, für den Fall, dass in den Gasvermessungsräumen 20, 56 gleiche Gase vorliegen und im Rahmen der Raman- Streulichtintensitätsverstärkenden Optik 36 eine Trennung 68 der Raman- Streulichtanteile, die aus dem Gasvermessungsraum 20 und aus dem weiteren Gasvermessungsraum 56 stammen, vorgenommen wird. Diese lassen sich im Rahmen einer Parallelvermessung 64 im Lichtdetektor 48, der beispielsweise eine CCD-Kamera 50 sein kann, parallel detektieren. Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine Messanordnung zu entnehmen, mit einer sich im Wesentlichen horizontal erstreckenden Messstrecke, an der sich zwei über die Messstrecke miteinander verbundene Messstellen befinden.
Die in den Figuren 1 und 2 in ihren beiden Ausführungsvarianten dargestellten Messeinrichtungen 10 sind in der Darstellung gemäß Figur 3 an einer dort dargestellten ersten Messstelle 86 beziehungsweise an einer zweiten Messstelle 90, die einer Strömungsstrecke 80 zugeordnet sind, installiert. Mit diesen wird der Massendurchfluss des gasförmigen Mediums, insbesondere H2, in Gasform gemessen. Gemäß der Darstellung in Figur 1 wird die Strömungsstrecke 80 in Strömungsrichtung 82 von einem Gasstrom 66, insbesondere gasförmigem H2, durchströmt. An der ersten Messstelle 86 sowie an der zweiten Messstelle 90 wird der Massendurchfluss über die beiden dort angeordneten Messeinrichtungen 10, die gemäß der Raman-Spektroskopie arbeiten, ausgemessen. An den beiden Messstellen 86, 90 an der Strömungsstrecke 80 liegen unterschiedliche Strömungsquerschnitte vor, nämlich ein erster Strömungsquerschnitt 84 im Bereich der ersten Messstelle 86; ferner ein zweiter, kleinerer Strömungsquerschnitt 88, der an der zweiten Messstelle 90 ausgebildet ist.
Anstelle der beiden über die Strömungsstrecke 80 miteinander verbundenen Messstellen 86, 90 könnte auch eine Verengung 92 sowie ein hier nicht dargestellter Bypass vorgesehen sein. Die Strömungsrichtung des Gasstroms 66 könnte auch entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 82 gemäß Figur 3 verlaufen.
Über die Messeinrichtungen 10, ausgestattet gemäß den Varianten in den Figuren 1 und 2 werden an den beiden Messstellen 86, 90 jeweils Raman- Signale <t>i 96 sowie an der zweiten Messstelle 90 ein Raman-Signal <£2 98 erhalten. Nach dem Kontinuitätsgesetz (dm/dt = p • A • v) ist der Massenstrom des Gasstroms 66 durch die Strömungsstrecke 80 konstant. Die mittlere Geschwindigkeit v und die Gasdichte p sind an der ersten Messstelle 86 und an der zweiten Messstelle 90, abhängig von den dort vorliegenden Strömungsquerschnitten 84, 88, unterschiedlich für den Fall, dass ein Gas die Strömungsstrecke 80 durchströmt, bei stehendem Gas jedoch nicht. Durch die gleichzeitig an der ersten Messstelle 86 sowie an der zweiten Messstelle 90 erfolgende Messung kann ein Massendurchfluss gemessen werden, denn dann Φilt für die beiden erhaltenen Raman-Signale Φ1 96 und Φ 2 98, dass diese voneinander abweichen.
Zur Bestimmung der durch die Strömungsstrecke 80 fließenden Gasmenge kann dann gemäß der Beziehung Φ ~ N/V = M A/ M • m/V ~ p das entsprechende Raman-Signal addiert werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene, in Figur 3 schematisch dargestellte Messanordnung erkennt man für den Anwendungsfall eines sich kons ant einstellenden Gasstroms 66 durch Vergleich der beiden Raman-Signale Φ 1 96 und Φ 2 98wann das gasförmige Medium fließt und kann mit einer Messung während des Massendurchflusses den Teilchenbeziehungsweise direkt den Massenfluss gemäß der oben dargestellten Beziehung aus der Fließdauer ermitteln.
Für den Anwendungsfall der Betankung fließt aufgrund thermischer und druckbedingter Effekte und/oder zum Beispiel bei Betankungsunterbrechungen kein konstanter Massefluss (d. h. dm/dt * konstant). Die Unterbrechungen werden, wie obenstehend beschrieben, entdeckt und es erfolgt eine Messung der Druck- und thermisch bedingten Dichteänderungen durch direkte Messung, da die Raman-Signale Φ proportional zur Gasdichte sind. Die Gasdichte wiederum ist eine Funktion von Druck und Temperatur. Dazu wird während der gesamten Betankungs- beziehungsweise Massendurchflussdauer das Raman-Signal Φ aufgezeichnet und addiert. Bei dieser Messung wird nicht ein Raman-Signal Φ über die gesamte Messdauer aufgenommen, sondern es erfolgt eine zeitlich getaktete Messung. Die Taktrate ist abhängig von der Dichteänderungsrate, der Sensitivität und des Messbereichs des Raman-Messsystems und der benötigten Messgenauigkeit einzustellen. Mit den in den Figuren 1 und 2 beispielhaft dargestellten Messeinrichtungen 10 lassen sich Taktraten bis in den Millisekundenbereich realisieren.
Bei derartigen Taktraten sind indirekt messende Gasmasseflussmesser (thermische Masseflusssensoren, Druckdifferenzmessungssensoren) prinzipbedingt nicht mehr einsetzbar.
Das durch die gemäß der Raman-Spektroskopie arbeitenden Messeinrichtungen 10, die an der ersten Messstelle 86 sowie an der zweiten Messstelle 90 eingesetzt werden, durchgeführte Messverfahren ermöglicht eine direkte Messung von Teilchen- beziehungsweise Massenstrom ohne Beschränkung. Das Raman-Gassignal muss einmalig bei einer Gaskonzentration justiert werden. Aufgrund der physikalisch bedingten strengen Linearität des Raman-Effekts reicht eine Ein-Punkt-Kalibrierung. Ferner kann dieses an stehendem Gas, also nicht vorliegendem Gasstrom 66, zum Beispiel auch als Messsensoreinheit vorab, beispielsweise im Kalibrierlabor einjustiert werden. Eine Justage bei Massendurchfluss am Ort der Messung ist daher nicht erforderlich.
Ferner können durch die in Figur 3 dargestellte Messanordnung prinzipbedingt bei Vermessungen von Gasgemischen auch sich ändernde Gasanteile direkt erkannt werden und die sich daraus ergebenden Brennwertänderungen lassen sich unmittelbar bestimmen. Werden also beispielsweise, wie zukünftig geplant, Erdgasnetze mit Wasserstoffgas angereichert, so kann über das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren nicht nur die abgegebene Gasmenge beziehungsweise Gasmasse bestimmt, sondern auch direkt der sich ändernde Brennwert aus den gemessenen Gaskonzentrationsanteilen, hier Wasserstoff- und Methankonzentration, bestimmt werden.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine alternative Ausgestaltungsmöglichkeit der Messanordnung gemäß Figur 3 zu entnehmen, bei der eine gekrümmte Strömungsstrecke ausgeführt ist.
Figur 4 zeigt, dass die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Messeinrichtungen 10 in eine Einheit integrierbar sind. Gemäß der Darstellung in Figur 4 wird der Hochleistungslaser 14, vorzugsweise mit einer Laserdiode 16 ausgestattet, im visuellen, zum Beispiel blauen Spektralbereich betrieben. Der Laserdiode 16 ist eine fokussierende Optik 18 zugeordnet, mit der das zu vermessende Gas, d. h. der Gasstrom 66, der in eine gekrümmte Strömungsstrecke 114 eintritt, innerhalb eines ersten Rohrabschnitts 108 fokussiert beleuchtet wird. Dabei wird der Gasstrom 66 durch geeignete optische Zugänge, so zum Beispiel Fenster, an der ersten Messstelle 86 direkt beleuchtet. Der Laserstrahl wird anschließend über entsprechende optische Zugänge wieder aus dem zu vermessenden Gasbereich herausgeleitet und anschließend über eine Optik 102 analog zum ersten Rohrabschnitt 108 in einen zweiten Rohrabschnitt 110 eingeleitet, in welchem sich die zweite Messstelle 90 befindet. An den beiden Messstellen 86, 90 in den beiden Rohrabschnitten 108, 110 der gekrümmten Strömungsstrecke 114 liegen unterschiedliche Durchmesser vor, also der erste Strömungsquerschnitt 84 an der ersten Messstelle 86 sowie der zweite Strömungsquerschnitt 88 an der zweiten Messstelle 90.
Der herausgeführte Laserstrahl kann über einen Strahlteiler 104 zu einem geringen Anteil in eine weitere, Detektionsoptik 106 geleitet werden, wohingegen der restliche Anteil zur Störflussvermeidung in ein optisches Bauelement, insbesondere einen Strahlungsabsorber 32 geleitet wird.
Die Aufnahme der Laserstrahlintensität in der Detektionsoptik 106 (?) des eigentlichen Streulichts dient zur Überwachung und gegebenenfalls Korrektur der Raman-Signale <t> bei nicht stabiler Laserstrahlleistung und alternativ bei ausreichend stabiler Laserlichtquelle, d. h. die Laserdioden 16, entfallen. In diesem Fall wird der aus der zweiten Messstelle 90 heraustretende Laserstrahl direkt im Strahlungsabsorber 32 absorbiert.
Die Detektion des Raman-Streulichts 34 aus den beiden Messstellen 86, 90 erfolgt über die weitere Optik 106, die auch als Detektionsoptik bezeichnet werden kann. Das Raman-Streulicht 34 wird aus dem fokussiert beleuchteten Gasbereich aufgenommen und einer spektralen Analyseeinheit 38, vorzugsweise einem Spektrographen mit einem Lichtdetektor, beispielsweise in Gestalt einer CCD-Kamera 50 mit entsprechenden Empfängerdioden an den Stellen der Raman-Wellenlängen des/der zu untersuchenden Gase/s oder des Gasstroms 66 oder Gasgemischs, zugeführt.
Die Gasführung durch die gekrümmte Strömungsstrecke 114, die eine 180°- Umlenkung 112 aufweist und demzufolge in die beiden Rohrabschnitte 108 und 110 mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten 84, 88 unterteilt ist, wird so ausgeführt, dass eine laminare Strömung an den den beiden Messstellen 86 und 90 zugeordneten Messeinrichtungen 10 vorliegt. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die beiden Messstellen 86, 90 in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante der Strömungsstrecke 80 durch einen Abstand 100 voneinander getrennt sind, wohingegen in der alternativen Ausführungsvariante, die in Figur 4 dargestellt ist, die beiden Messstellen 86, 90 an den parallel zueinander verlaufenden Rohrabschnitten 108 und 110 einander gegenüberliegen. In vorteilhafter Weise weist die Anordnung gemäß Figur 4 lediglich eine Strahlungsquelle 12 in Gestalt eines Hochleistungslasers 14 auf, wohingegen bei der Anordnung gemäß Figur 3 zwei Hochleistungslaser erforderlich wären.
Neben den naheliegenden Vorteilen einer Kompaktheit des Messaufbaus und geringen Kosten durch Entfall des zweiten Lasers der zweiten Laserstrahlungsquelle in der Ausführungsvariante gemäß Figur 4 liegt ein weiterer, wesentlicher Vorteil in der Verwendung der gleichen Raman- Anregungsquelle. Damit sind die Raman-Streulichtsignale, die an die spektrale Analyseeinheit 38 übermittelt werden, hinsichtlich ihrer Spektrallage gleich und bei stehendem Gas aufgrund der direkten Proportionalität zur Laserleistung auch hinsichtlich der Intensität identisch. Der erforderliche Vergleich der Messergebnisse der beiden Messstellen 86, 90 zur Erkennung des Massendurchflusses ist somit einfach durchführbar.
Nachfolgend wird die Ermittlung des Massendurchflusses anhand der einschlägigen Gleichungen kurz beschrieben.
Der Massenstrom eines gasförmigen Fluids in einem Kontrollraum bleibt konstant und ist unabhängig davon, an welchen Stellen gemessen wird. dm wij = = m = —j— = konstant (1)
Gemäß dem Kontinuitätsgesetz wird der Massenstrom wie folgt beschrieben (vgl. auch Figur 5 ): dm AF m = — — = p * — = p * A * V dt F At K (2) mit m: Massenstrom
Durchströmte Querschnitts fläche
V: Gasvolumen v: Mittlere Strömungsgeschwindigkeit p- Gasdichte Um die Masse zu bestimmen, muss Gleichung (2) umgestellt und integriert werden: dm = p * A * v * dt dm = A p * v dt
Bei einem konstanten Rohrquerschnitt ist dieser von der Zeit unabhängig und kann vor das Integral gezogen werden. Bei bekanntem Aufbau sind unbekannt die Dichte und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit. Gemäß den Figuren 1, 2 und 6 erfolgt eine Raman -Messung:
(4)
<I>: Gemessenes Raman - Signal ai (zu bestimmende) Konstante
N-. Teilchenanzahl
Die Ermittlung der Stoffmenge ergibt sich gemäß folgender Beziehung: n = m N - = —
Wird nach der Teilchenanzahl umgestellt, ergibt sich: m N = — * NA
M mit: nl: Masse n: Stof f menge
Mi Molare Masse
NAiAvogadro Konstante
Die Dichte ergibt sich zu Aufgelöst nach der Masse m ergibt sich: m = p * J/ (6)
Durch Einsetzen der Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (4) ergibt sich folgender Term:
V
<j) = (i *
(7)
Wird die Gleichung (7) nach der Dichte umgeformt, so ergibt sich:
Eine Kalibrierung des Raman-Signals erfolgt durch eine Bestimmung von a.
Aus Gleichung (8) geht hervor, dass mittels der Raman-Messung die Dichte bestimmt werden kann. Zunächst muss jedoch a bestimmt werden, was mittels des idealen Gasgesetzes erfolgt: p * y = N * kg * T woraus sich ergibt: p: Druck kB . Boltzmann — Konstante
T: Temperatur
Wird die Gleichung (9) in Gleichung (4) eingesetzt, so ergibt sich folgendes:
4.> = P a * -
T * kB
Aufgelöst nach a ergibt sich:
T * kB a = - - (10)
P
Zur Kalibrierung kann bei bekanntem Druck und bekannter Temperatur am gasförmigen Medium, dessen Massenstrom gemessen werden soll, a bestimmt werden.
Gemäß dem Kontinuitätsgesetz für Gase bleibt der Massenfluss gleich, auch wenn sich in einem Rohr der Querschnitt ändert. Ein Rohr mit einem Querschnitt ist beispielsweise durch ein Venturi-Rohr gegeben. Aus diesem Zusammenhang heraus muss sich, bei einem sich ändernden Massenstrom, entweder die Dichte oder die Geschwindigkeit oder beides ändern, siehe auch Figur 7. dm m = —— = Aj_ * pi * v± = A2 * p2 * v2 — konstant (11 ) at
Die Gleichung (11) umgeformt ergibt ein Geschwindigkeitsverhältnis gemäß nachfolgender Beziehung: v2 pi Ai - ~ - % - (12)
Vl P2 A2
Werden die beiden Messstellen gemäß den Figuren 3 und 4 (vgl. die Positionen 86, 90) als Venturi-Rohraufbau mit sich veränderndem Querschnitt umgesetzt, kann in erster guter Näherung davon ausgegangen werden, dass der Massenstrom nur vom Geschwindigkeitsverhältnis abhängt:
Mit Gleichung (12) folgt somit:
Kalibriert man nun den Massenstrom über den zu überwachenden Messbereich (0 % bis 100 %) ein, so kann damit über die Raman-Signal-Messungen an den beiden Messstellen 86, 90 der Massenstrom im zu vermessenden Gasstrom 66 bestimmt werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, den Massenstrom durch Messung der Gasdichte mit Raman-Spektroskopie an einer Messstelle und gleichzeitige Vermessung der Gasgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Gasgeschwindigkeit kann bestimmt werden durch eine direkte Messung, zum Beispiel mit einem Pitot-Rohr oder einem Prandlschen Staurohr. Es ist eine Erweiterung eines Raman-Messaufbaus um einen Geschwindigkeitsmesser vorzusehen. Bei laminarer Gasströmung gilt nach dem Gesetz von Hagen und Poiseuille für den Volumenfluss durch ein Rohr:
A V n r4 1 /p-L2 — p2 2
A t 8 l p \ 2p2 mit q = Gasviskosität.
Die Gasflussgeschwindigkeit ist lediglich abhängig vom Druck vor und nach dem Gasdurchflussrohr, in welchem dann auch mit der beschriebenen Raman- Methode die Gasdichte gemessen wird. Die druck- und temperaturabhängige Gasviskosität, Rohrradius und Rohrlängen werden als konstant angenommen. Im Fall eines konstanten Drucks pi und eines konstanten Drucks P2 (wobei pi > P2) und konstanter Temperatur, ist die Gasgeschwindigkeit konstant und der zu bestimmende Massenstrom kann allein durch die Dichtebestimmungen mit der Raman-Messung bestimmt werden. Im allgemeinen Fall werden zusätzlich die Drücke pi und P2 unter der Temperatur T gemessen. Der Raman-Messaufbau gemäß den Figuren 1 und 2 ist lediglich um einen Vor- und Nachdruckmesser zur Messung der Drücke pi und P2 und um einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur zu ergänzen.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Messung eines Massendurchflusses eines gasförmigen Mediums, insbesondere von gasförmigem H2 in einer Strömungsstrecke (80, 114) mit einer ersten Messstelle (86) und einer zweiten Messstelle (90) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Anordnen der ersten Messstelle (86) und der zweiten Messstelle (90) in einem Abstand (100) zueinander entlang der Strömungsstrecke (80, 114), wobei die erste Messstelle (86) und die zweite Messstelle (90) durch die Strömungsstrecke (80, 114) miteinander verbunden sind, b) Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der ersten Messstelle (86) in einem ersten Strömungsquerschnitt (84) der Strömungsstrecke (80, 114), c) Messung der Stoffmengenkonzentration des Massendurchflusses an der zweiten Messstelle (90) in einem zweiten Strömungsquerschnitt (88) der Strömungsstrecke (80, 114) und d) Ermittlung des Massendurchflusses durch Vergleich der Messungen an der ersten Messstelle (86) und der zweiten Messstelle (90) gemäß den Verfahrensschritten b) und c).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Messstelle (86) und an der zweiten Messstelle (90) die Messungen mit einer Messeinrichtung (10) zur Ermittlung des Raman- Streulichts (34) vorgenommen werden.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Messstelle (86) und an der zweiten Messstelle (90) eine Aufnahme von Raman-Streulicht (34) mit einer eine Raman- Streulichtintensitätsverstärkenden Optik (36) erfolgt und das Raman- Streulicht (34) einer spektralen Auswerteeinheit (38) zugeführt wird.
4. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Messstelle (86) und an der zweiten Messstelle (90) g )leichzeitig gemessen wird und aus voneinander abweichenden Raman- Signalen Φ1 96 und Φ 2 98 an der ersten Messstelle (86) und an der zweiten Messstelle (90) der Massendurchfluss bestimmt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der durch die Strömungsstrecke (80, 114) strömenden Gasmasse ein Raman-Signal an einer Messstelle addiert wird, wenn es von dem an einer anderen Messstelle gemessenen abweicht.
6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Unterbrechungen im Massendurchfluss des gasförmigen Mediums detektiert werden, indem eine zeitlich getaktete Messung durchgeführt wird, mit einer Taktrate, die abhängig ist von einer Dichteänderungsrate des gasförmigen Mediums, einer Sensitivität und einem Messbereich der Messeinrichtung (10).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktrate der Messeinrichtung (10) im Millisekundenbereich liegt.
8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung des Massendurchflusses mit der Messeinrichtung (10) ein Raman-Gassignal einmalig bei einer Gaskonzentration justiert wird.
9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vermessungen von Gasgemischen (24) sich ändernde Gasanteile direkt erkannt werden und eine daraus resultierende Brennwertänderung bestimmt wird.
10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Massendurchfluss des gasförmigen Mediums durch eine gerade Strömungsstrecke (80) oder durch eine eine 180°-Umlenkung (112) aufweisende, gekrümmte Strömungsstrecke (114) verläuft.
1 1. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung des gasförmigen Mediums durch die Strömungsstrecke (80, 114) als laminare Strömung erfolgt.
12. Messeinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Hochleistungslaser (14), insbesondere eine Laserdiode (16) umfasst, welche das Gas (22) oder das Gasgemisch (24) an mindestens zwei Messstellen (86, 90) im visuellen Spektralbereich fokussiert beleuchtet und Raman-Streulicht (34) aus dem fokussiert beleuchteten Gas (22) oder Gasgemisch (24) durch ein die physikalische Raman- Streuintensität des Streulichts (34) verstärkendes optisches System (36) mit Filtern und Blenden einer spektralen Analyseeinheit (38) zuführt.
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