-
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Gasmengen und Gasströmen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Derartige Messvorrichtungen sind seit langem in einer Vielzahl unterschiedlicher Vorrichtungen bekannt. Jedoch sind solche Messvorrichtungen lediglich ab einer bestimmten Mindest-Durchflussrate bzw. Mindestmenge einsetzbar und deshalb zur Bestimmung von kleiner oder sehr kleiner Gasmengen und Gasströmen nicht geeignet.
-
Aus der
DE 196 07 721 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Dosieren von Schwergas für das Füllen von Isolierglasscheiben bekannt. Hierbei wird das Schwergas zunächst von einem Schwergas-Reservoir in einen Zylinder geleitet, in dem ein Kolben verschieblich angeordnet ist. Der Kolben unterteilt den Zylinder in zwei Arbeitsräume, wobei Schwergas abwechselnd in den einen oder anderen Arbeitsraum eingeleitet wird. Den Arbeitsräumen ist jeweils eine Vorrichtung zum Erfassen des Druckes und eine Vorrichtung zum Erfassen der Temperatur zugeordnet. Ferner wird der Verschiebeweg des Kolbens beim Einleiten des Schwergases ermittelt, in dem am Ende der Kolbenstange ein Weggeber angeordnet ist, der mit einem elektronischen Messlinial zusammenwirkt. Ziel dieser Anordnung ist es, immer dieselbe Menge an Schwergas für das Befüllen der Isolierglasscheiben bereitzustellen.
-
Die
DE 3 319 861 C2 offenbart ein Gasmengendurchfluss-Messgerät, bei dem eine Gasdurchflussmenge durch Messung des Drucks in einem Behälter bestimmt, der gleich dem Druck im Arbeitsraum eines Arbeitszylinders ist, wobei die Volumenänderung im Arbeitsraum, die durch Verschieben eines Kolbens während einer Zeitspanne wird, berücksichtigt ist.
-
Die
DE 2 255 353 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Flüssigkeits- beziehungsweise Gasmengen, wobei die Vorrichtung in der Lage ist, auch kleinste Mengen beziehungsweise Undichtigkeitsverluste zu messen, wobei die Messungen unter vollen Betriebsdruck durchgeführt werden. Es wird hierzu Prüfgas in eine Messkammer eingeleitet und die Positionsänderung eines Messkolbens zwischen einer Startposition und einer Endposition in Folge des eingeströmten Prüfgases ermittelt.
-
Die
WO 02/054038 A2 offenbart die Verwendung eines Laser-Interferometers, um wegen geringer Massenträgheit der Positionserfassungseinrichtung die Messgenauigkeit zu verbessern.
-
Die
DE 401 787 A offenbart einen Gasbehälter, bei dem zwischen einem verschiebbaren, den Gasraum abschließenden Kolben und der Behälterwand eine feste und eine flüssige Dichtung vorgesehen ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Gasmengen und Gasströmen der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der auch kleine oder sehr kleine Gasmengen bzw. Gasströme sehr exakt im Wesentlichen ohne Undichtigkeitsverluste ermittelt werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
-
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung von Gasmengen und Gasströmen zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen Messkolben und Innenwandung des Zylindergehäuses ein Dichtmittel in Form einer Sperrflüssigkeit zur gasdichten Abdichtung der Messkammer vorgesehen ist, wobei die Sperrflüssigkeit bei vertikaler Anordnung des Messzylinders unter Kapillarwirkung im Spalt zwischen Messkolben und der Innenwandung verbleibt Zweckmäßigerweise dient zur vertikalen Anordnung der Messvorrichtung eine Standeinrichtung.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die Messvorrichtung eine über die Schnittstelle am Messzylinder ankoppelbare Druckmesseinrichtung zur Bestimmung des im Kontrollvolumens vorherrschenden Drucks auf.
-
Weiterhin kann die Messvorrichtung eine über die Schnittstelle am Messzylinder ankoppelbare Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung der Temperatur aufweisen. Die Temperaturmesseinrichtung kann einen Temperaturfühler aufweisen, der in eine die Schnittstelle bildende Fühleraufnahme am Messzylinder einsetzbar oder eingesetzt ist.
-
Bei einem nicht zur Erfindung gehörenden Verfahren zur Bestimmung von Gasmengen und Gasströmen wird ein Messzylinder bereitgestellt, der ein Zylindergehäuse und einen im Zylindergehäuse verschieblich gelagerten Messkolben aufweist, der zusammen mit dem Zylindergehäuse eine Messkammer mit einem Kontrollvolumen begrenzt. Es wird Prüfgas in die Messkammer eingeleitet und es wird die Positionsänderung des Messkolbens zwischen einer Startposition und einer Endposition in Folge des einströmenden Prüfgases ermittelt. Ferner wird der Druck im Kontrollvolumen und die Temperatur bestimmt. Schließlich wird die in die Messkammer eingeströmte Prüfgasmasse bzw. das Prüfgasvolumen unter Berücksichtigung einer gewählten Messzeit des Prüfgasmassenstroms bzw. Prüfgasvolumenstroms auf Basis der allgemeinen Gasgleichung ermittelt.
-
Zur Ermittlung der Masse bzw. des Volumens oder des Massen- oder Volumenstroms eines eingeprägten Prüfgases wird dieses also in das Kontrollvolumen in der Messkammer eingespeist. Die Positions- bzw. Lageänderung des Messkolbens kann hierbei hochgenau erfasst werden, wodurch auf kleine oder sehr kleine Prüfgasmengen bzw. Prüfgasströme zurückgerechnet werden kann.
-
Zusätzlich zur Positionsänderung des Messkolbens wird die Temperatur und des Gasdruck im Kontrollvolumen gemessen. Aufgrund der hohen Wärmekapazität, der guten Wärmeleitfähigkeit und der im Vergleich zum Kontrollvolumen relativ großen Oberfläche der Wandung des Zylindergehäuses kann eine schnelle und kontinuierliche Temperaturangleichung zwischen dem im Kontrollvolumen eingeschlossenen Prüfgas und der Wandung erzielt werden. Deshalb ist es möglich, die Temperatur des Zylinderblocks zu messen anstelle eine Temperaturmessung direkt im Prüfgas durchzuführen.
-
Es ist möglich, dass das Prüfgas als Charge in die Messkammer gelangt und die eingeströmte Prüfgasmasse oder das eingeströmte Prüfgasvolumen ermittelt wird. Die Masse des eingeprägten Prüfgases lässt sich bei Kenntnis der Temperaturen des Prüfgasdrucks folgendermaßen berechnen:
mit:
- Δm
- Eingeprägte Gasmasse
- Δs
- Lageänderung des Kolbens
- dZylinder
- Durchmesser der Zylinderbohrung verringert um die doppelte Dicke des Spalts zwischen Kolbenaußenseite und Zylinderinnenwand,
- Z
- Realgasfaktor des Prüfgases
- PZylinder
- Druck des Prüfgases im Kontrollvolumen
- T
- Temperatur des Prüfgases im Kontrollvolumen = Temperatur des Zylinderblocks.
-
Alternativ ist es möglich, dass das Prüfgas kontinuierlich in die Messkammer einströmt und die Positionsänderung des Messkolbens innerhalb einer wählbaren Messzeit zwischen einem Startzeitpunkt t0 und einem Endzeitpunk tE ermittelt wird.
-
Des Massenstrom qm berechnet sich wie folgt: qm = Δm / Δt mit:
- qm
- Massenstrom
- Δt
- Zeitintervall.
-
Zweckmäßigerweise wird der Startzeitpunkt t0 erst nach einer bestimmten Anlaufzeit ab der bereits Prüfgas in die Messkammer einströmt festgelegt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich der Prüfgasdruck während der Messzeit im Wesentlichen auf dem selben Niveau befindet.
-
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird bei feuchtem Prüfgas, insbesondere feuchter Luft, ein von der relativen Prüfgasfeuchte abhängiger Feuchtefaktor bei der Ermittlung der Prüfgasmasse bzw. des Prüfgasvolumens oder des Prüfgasmassenstroms bzw. Prüfgasvolumenstroms berücksichtigt.
-
In besonders bevorzugter Weise wird der Messzylinder in eine im Wesentlichen vertikale Lage gebracht, wobei sich ohne Einströmen von Prüfgas ein Kräftegleichgewicht zwischen einer Gewichtskraft des Messkolbens und einer in entgegengesetzte Richtung wirkendenden aus der Druckdifferenz zwischen Umgebungsluftdruck und dem Gasdruck im Kontrollvolumen resultierenden Druckkraft einstellt. Durch dieses Kräftegleichgewicht kann der Messkolben also in Schwebe gehalten werden.
-
In besonders bevorzugter Weise wird die Positionsänderung des Messkolbens mittels einer berührungslos arbeitenden Positionserfassungsrichtung ermittelt. Es eignet sich hierzu vor allem ein Interferometer, insbesondere Laser-Interferometer.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur:
Eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
-
1 zeigt einen bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 11, die zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung von Gasmengen und Gasströmen geeignet ist. Die Messvorrichtung 11 besitzt einen Messzylinder 12 mit einem Zylindergehäuse 13 und einen im Zylindergehäuse 13 verschieblich gelagerten Messkolben 14. Das Zylindergehäuse 13 wiederum besteht aus einem Zylinderrohr 15, wobei ein Rohrende mittels eines Abschlussdeckels 16 gasdicht verschlossen ist. Das gegenüberliegende Rohrende hingegen ist offen und ist in eine Halterung 17 einer Standeinrichtung 18 eingesetzt. Mit der Standeinrichtung 18 ist der Messzylinder 12 in vertikaler Lage fixiert. Hierzu kann beispielsweise die Halterung 17 mit einem tischartigen Basisteil 19 verbunden sein, wobei Letzteres wieder auf dem Untergrund abstellbar ist.
-
Der Messkolben 14, die Wandung des Zylinderrohrs 15 und der Abschlussdeckel 16 schließen eine Messkammer 20 ein, wobei auch der Spalt zwischen der Wandung des Zylinderrohrs 15 und dem Messkolben mittels eines Dichtmittels 21 gasdicht abgedichtet ist. Als Dichtmittel wird eine Sperrflüssigkeit eingesetzt, die bei vertikaler Lage des Messkolbens 14 unter Kapillarwirkung im Spalt verbleibt.
-
Dem Messkolben 14 ist eine Positionserfassungseinrichtung 22 zugeordnet, mit der sich die Position bzw. die Lage des Messkolbens 14 innerhalb des Zylinderrohrs 15 bestimmen lässt. Die Positionserfassungseinrichtung 22 ist hier beispielshaft in Form eines Laser-Interferometers dargestellt, mit einer beispielsweise auf den tischartigen Basiselement 19 befindlichen Interferometereinheit 40, die einen Laserstrahl aussendet, der auf einen an der messkammerfernen Unterseite des Messkolbens 14 angeordneten Tripelspiegel 50 trifft und durch diesen reflektiert wird. Die Wirkungsweise eines Laser-Interferometers ist bekannt und soll hier nicht näher vertieft werden.
-
Im Abschlussdeckel 16 befindet sich einen Einlassöffnung 23, über die Prüfgas in die Messkammer 20 strömen kann. Zweckmäßigerweise ist die Einlassöffnung 23 über eine insbesondere schlauchartige Gasleitung 24 mit einem Prüfling 25 gekoppelt. Als Prüfling kann beispielsweise ein Ventil eingesetzt werden, wobei sich dann die Durchflussraten durch das Ventil ermitteln lassen, also beispielsweise der am Arbeitsanschluss austretende Massen- oder Volumenstrom oder auch der Massen- oder Volumenstrom zwischen einem Vorsteuerventil und dem Hauptventil. Ferner kann als Prüfling auch ein Körper mit interner Undichtigkeit eingesetzt werden, wobei sich die Leckagerate bestimmen lässt. Schließlich kann als Prüfling auch ein Messgerät vorgesehen sein, das zur Kalibrierung angeschlossen wird.
-
Die Messvorrichtung 11 besitzt ferner noch eine Druckmesseinrichtung 26, die über eine am Messzylinder 12 liegende Druck-Schnittstelle 27 ankoppelbar ist. Beispielsweise kann auch hier eine Durchführung 28 durch den Abschlussdeckel 16 vorgesehen sein, an die gegebenenfalls eine schlauchartige Gasleitung an einen Druckaufnehmer 29 anschließbar ist.
-
Schließlich besitzt die Messvorrichtung noch eine Temperaturmesseinrichtung 20, die über eine am Messzylinder 12 liegenden Temperatur-Schnittstelle 31 ankoppelbar ist. Die Temperaturmesseinrichtung 30 besitzt einen Temperaturfühler 32, der in eine die Temperatur-Schnittstelle 31 bildende Fühleraufnahme am Messzylinder 12 eingesetzt ist. Die Temperaturmessung erfolgt also nicht in der Gasphase in der Messkammer, sondern in der Wandung des Zylinderrohrs 15. Deshalb besteht das Zylinderrohr 15 auch aus einem Material mit hoher Wärmekapazität und guter Wärmeleitfähigkeit, wodurch eine schnelle und kontinuierliche Temperaturangleichung zwischen dem im Kontrollvolumen eingeschlossenen Gas und der Wandung erzielt wird.
-
Zur Bestimmung einer Prüfgasmasse wird zunächst Prüfgas vom Prüfling über die Einlassöffnung 23 in die Messkammer 20 eingeleitet. Der Messkolben 14 der aufgrund eines Kräftegleichgewichts zwischen einer Gewichtskraft des Messkolbens 14 und einer in entgegengesetzter Richtung wirkenden aus der Druckdifferenz zwischen Umgebungsluftdruck und dem Gasdruck im Kontrollvolumen resultierenden Druckkraft in der Schwebe gehalten wird, wird durch das eingeleitete Prüfgas ein Stück weit nach unten bewegt. Die Position des Messkolbens 14 hat sich also verändert. Diese Positionsänderung wird über das Interferometer hochgenau bestimmt. Ferner wird über den Temperaturfühler 32 die Temperatur des Zylinderrohrs 15 mittels der Druckmesseinrichtung 26 der Gasdruck im Kontrollvolumen gemessen. Es ist möglich, die Druck-, Temperatur- und Positionsmesswerte an eine Auswerteeinheit 60 zu übermitteln, mit der dann die eingeprägte Prüfgasmasse bzw. das eingeprägte Prüfgasvolumen bzw. die Massen- oder Volumenströme ermittelt werden können.
-
Die eingeströmte bzw. eingeprägte Gasmasse Δm lässt sich dann folgendermaßen berechnen:
mit:
- Δm
- Eingeprägte Gasmasse
- Δs
- Lageänderung des Kolbens
- dZylinder
- Durchmesser der Zylinderbohrung verringert um die doppelte, verbleibende Schichtdicke der Sperrflüssigkeit
- Z
- Realgasfaktor des Prüfgases
- pZylinder
- Druck des Prüfgases im Kontrollvolumen
- T
- Temperatur des Prüfgases im Kontrollvolumen = Temperatur des Zylinderblocks.
-
Bei feuchtem Prüfgas, insbesondere feuchter Luft erweitert sich die Gleichung auf:
mit:
- Ri,Luft,tr
- Individuelle Gaskonstante des Prüfgases
- φ
- relative Luftfeuchte
- pd
- Sättigungsdruck des Wassers
- Z
- Realgasfaktor.
-
Bei der Ermittlung des Massen- oder Volumenstroms wird Prüfgas kontinuierlich in die Messkammer 20 eingeleitet. Der Gasdruck im Kontrollvolumen der Messkammer 20 erhöht sich während der Einspeisung geringfügig, da die innere Reibung der Sperrflüssigkeit einer Verschiebung des Kolbens entgegenwirkt. Der hieraus resultierenden kurzfristigen Temperaturänderung des Prüfgases zu Beginn der Messung wird dadurch entgegengewirkt, dass der Startzeitpunkt t0 erst nach einer bestimmten Anlaufzeit, ab der bereits Prüfgas in die Messkammer 20 einströmt, festgelegt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Gasdruck während der Messzeit im Wesentlichen konstant ist.
-
Der Massenstrom qm lässt sich dann folgendermaßen berechnen: qm = Δm / Δt mit:
- qm
- Massenstrom
- Δt
- Zeitintervall.
-
Mit dem Verfahren und der erfindungsgemäßen Messvorrichtung lassen sich also auch sehr kleine Prüfgasmengen, d. h. Prüfgasmassen oder Prüfgasvolumen oder sehr kleine Prüfgasströme, d. h. Prüfgasmassenströme oder Prüfgasvolumenströme ermitteln. Durch Vergrößern der Messdauer können somit auch Kleinstmengen bestimmt werden, wodurch sich beispielsweise auch kleinste Leckagen mit geringen Leckageraten ermitteln lassen. Außerdem ist die hochgenaue Bestimmung der Prüfgasmengen oder Prüfgasströme auch besonders für die Kalibrierung von Messgeräten geeignet.
