DE102008031005B3

DE102008031005B3 - Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms und Gasstromerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102008031005B3
Application number: DE102008031005A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr. Kramer; Bodo Dr. Mickan; Roland Dr. Schmidt
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms, das folgende Schritte umfasst: Vorgeben eines Massestroms (QPr) des Gasstroms, Leiten eines Hautgasstroms mit einem Vordüsen-Eingangsdruck (p1) durch eine Vordüse (4), Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Vordüse (4) angeordnete Hauptgasleitung (6), die einen Verbindungspunkt (8) aufweist, an dem eine Abzweigleitung (10) abzweigt, Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Hauptgasleitung (6) angeordnete Nachdüse (16), Einstellen des Vordüsen-Eingangsdrucks (p1) so, dass die Vordüse (4) und die Nachdüse (16) kritisch betrieben werden, und Betätigen eines in der Abzweigleitung (10) vorgesehenen Abzweigventils (12), so dass ein Nachdüsen-Eingangsdruck (p2), der vor der Nachdüse (16) herrscht, auf einen Nachdüsen-Eingangs-Solldruck (p2, Soll) geändert wird, bei dem sich in der Abzweigleitung (10) der Gasstrom mit dem vorgegebenen Massestrom (QPr) einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms und eine Gasstromerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms mit vorgegebenem Massestrom.
Gasströme mit fest vorgegebenem Massestrom werden beispielsweise verwendet, um Durchflussmessgeräte zu eichen oder zu kalibrieren. Aber auch zur Erzeugung von Prüfgasdurchflüssen, bei der mehrere verschiedene Gase in festen Verhältnissen miteinander gemischt werden müssen, werden die genannten Verfahren und Vorrichtungen verwendet.
Wichtig ist in beiden Fällen, dass der zu erzeugende Gasstrom einen fest vorgegebenen Massestrom aufweist und dieser zeitlich konstant gehalten werden soll. Dazu werden beispielsweise Regelventile in Verbindung mit Durchflussmessgeräten, zum Beispiel Laminardurchflussmesser oder Massestrommesser mit thermischen Sensoren, verwendet.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, kritisch betriebene Düsen zu verwenden. Eine Düse wird dann kritisch betrieben, wenn das Verhältnis des Eingangsdrucks, mit dem das Gas durch die Düse geleitet wird, zum Ausgangsdruck am Ende der Düse so groß ist, dass die Geschwindigkeit des Gases am engsten Punkt der Düse der Schallgeschwindigkeit entspricht. Dann hängt der Massenstrom vom Halsdurchmesser an der engsten Stelle und den thermodynamischen Eigenschaften des Gases am Eingang der Düse, wie beispielsweise Gaszusammensetzung, Druck und Temperatur, ab. Kritisch betriebene Düsen zeigen eine deutlich bessere Langzeitstabilität als eine Anordnung, bei der der Durchfluss über Regelventile in Verbindung mit Durchflussmessgeräten geregelt wird.
Nachteilig ist, dass eine Durchflussänderung durch eine kritisch betriebene Düse nur durch Veränderung des Halsdurchmessers der Düse oder der thermodynamischen Größen Gaszusammensetzung, Druck und/oder Temperatur erreicht werden kann. Der Halsdurchmesser einer Düse wird dabei durch Austausch der Düse gegen eine entsprechend größere oder kleinere erreicht. Dies ist im laufenden Betrieb nicht möglich. Um dynamische Änderungen der Durchflussmenge zu erreichen, bleibt folglich nur eine Änderung des Eingangsdrucks und/oder der Temperatur des durch die Düse geleiteten Gases.
Zudem ist die Nutzung von kritisch betriebenen Düsen im Durchflussbereich nach unten hin durch die Herstellungsmöglichkeiten der Düsen mechanisch begrenzt. Dadurch, dass das Gas durch kritisch betriebene Düsen im Wesentlichen mit der Schallgeschwindigkeit strömt, verbleibt selbst bei kleinsten Düsen immer eine Minimaldurchflussmenge, die nicht unterschritten werden kann. Gerade bei der Erzeugung von Prüfgasdurchflüssen, bei der verschiedene Gase miteinander gemischt werden müssen, ist es jedoch oft nötig, sehr kleine Mengen eines Gases einem anderen Gasstrom zuzuführen. Dabei muss dies kontinuierlich, also mit einer festen und zeitlich konstanten Rate, erfolgen. Dies ist mit kritisch betriebenen Düsen aufgrund der nach unten beschränkten Durchflussmenge oft nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms, das folgende Schritte umfasst:

a) Vorgeben eines Massestroms Q_Pr des Gasstroms,
b) Leiten eines Hauptgasstroms mit einem Vordüsen-Eingangsdruck p₁ durch eine Vordüse,
c) Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Vordüse angeordnete Hauptgasleitung, die einen Verbindungspunkt aufweist, an dem eine Abzweigleitung angeordnet ist,
d) Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Hauptgasleitung angeordnete Nachdüse,
e) Einstellen des Vordüsen-Eingangsdrucks p₁ so, dass die Vordüse und die Nachdüse kritisch betrieben werden, und
f) Betätigen eines ein der Abzweigleitung vorgesehenen Abzweigventils, so dass ein Nachdüsen-Eingangsdruck p₂, der vor der Nachdüse herrscht, auf einen Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll geändert wird, bei dem sich in der Abzweigleitung der Gasstrom mit dem vorgegebenen Massestrom Q_pr einstellt.

Ist der Massestrom Q_pr vorgegeben, wird der Hauptgasstrom zunächst durch eine Vordüse geleitet. Dabei ist das Abzweigventil, das in der Abzweigleitung vorgesehen ist, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, geschlossen. In diesem Fall wird sich der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂, der unmittelbar vor der Nachdüse in der Hauptgasleitung herrscht, so einstellen, dass durch die Vordüse und die Nachdüse die gleiche Gasmenge fließt. Wichtig ist, dass der Vordüsen-Eingangsdruck p₁ unter Berücksichtigung des Nachdüsen-Ausgangsdrucks so eingestellt wird, dass sowohl die Vordüse als auch die Nachdüse kritisch betrieben werden. Dazu werden insbesondere die Vordüse und die Nachdüse hinsichtlich des Verhältnisses der Halsquerschnitte bzw. der Halsdurchmesser so ausgewählt, dass das möglich ist.
Betätigt man nun das in der Abzweigleitung vorgesehene Abzweigventil, verändert sich der in der Hauptgasleistung vor der Nachdüse herrschende Nachdüsen-Eingangsdruck p₂. Die durch die Vordüse fließende Gasmenge wird dadurch nicht beeinflusst, weil diese, da die Vordüse kritisch betrieben wird, vom Ausgangsdruck der Vordüse nicht abhängt.
Durch das Betätigen des Abzweigventils fließt nun durch die Abzweigleitung ein Gasstrom. Dieser kann je nach Druck am Ausgang der Abzweigleitung in beide Richtungen, also sowohl zur Hauptgasleitung hin als auch von der Hauptgasleitung weg, fließen.
Durch einfache Differenzbildung aus dem durch die Vordüse fließenden Massestrom und dem gewünschten Massestrom Q_Pr in der Abzweigleitung, dessen Vorzeichen richtungsabhängig ist, kann einfach die Menge Gas berechnet werden, die durch die Nachdüse strömen muss, um den gewünschten Massestrom Q_Pr in der Abzweigleitung zu erreichen. Da auch die Nachdüse kritisch betrieben wird, hängt der durch sie fließende Massestrom im Wesentlichen vom Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ ab, nicht aber von einem Nachdüsen-Ausgangsdruck. Aus der gewünschten Menge des durch die Nachdüse austretenden Gases kann somit ein Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll errechnet werden, auf den der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ eingeregelt werden muss, um den gewünschten Massestrom Q_Pr durch die Abzweigleitung zu gewährleisten.
Da der gewünschte Massestrom Q_Pr durch die Abzweigleitung nicht direkt durch die kritisch betriebene Vordüse gesteuert wird, sondern aus der Differenz von Gasströmen zweier kritisch betriebener Düsen hervorgeht, ist die Größe des Massestroms Q_Pr nicht nach unten begrenzt. Selbst kleinste Masseströme Q_Pr sind somit möglich. Soll der Massestrom Q_Pr während eines Versuches dynamisch verändert werden, wird der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ auf einen dynamischen Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll durch Betätigen des in der Abzweigleitung vorgesehenen Abzweigventils eingeregelt.
Wird das Vorzeichen des vorgegebenen Massestroms Q_Pr so gewählt, dass der Massestrom durch die Abzweigleitung der Hauptgasleitung zugeführt wird, wird auf diese Weise einfach einem Gas oder Gasgemisch, das als Hauptgasstrom fungiert, eine geringe Menge eines anderen Gases gleichmäßig und zeitlich stabil beigemischt.
Der Massestrom Q_m, der durch eine kritisch betriebene Düse fließt, berechnet sich nach folgender Formel
Dabei bezeichnet A die Querschnittsfläche der Düse, c_D den Düsenbeiwert, der eine Funktion der Reynoldszahl ist, c* den kritischen Durchflussfaktor der Düse, der von der Gaszusammensetzung, dem Druck und der Temperatur abhängt, p den Düseneingangsdruck, T die Düseneingangstemperatur und R die spezifische Gaskonstante, die von der Gaszusammensetzung abhängig ist. Im Folgenden bezeichnet der Index 1 Größen der Vor- und der Index 2 Größen der Nachdüse.
Die Reynoldszahl, von der der Düsenbeiwert abhängt, ist eine Funktion der Querschnittsfläche A der Düse, des Eingangsdruckes p, der Eingangstemperatur T und der Viskosität des Gases, die von dessen Zusammensetzung abhängt.
Der kritische Durchflussfaktor c* hängt in erster Näherung von der Gaszusammensetzung ab, wird aber auch vom Druck p und der Temperatur T beeinflusst.
Werden zwei Düsen in Reihe geschaltet und vom gleichen Gas durchströmt gilt wegen der gleichen Durchflussmengen beider Düsen Q_m1 = Q_m2
In vielen Einsatzfällen ist dabei der Einfluss von Druck und Temperatur auf den kritischen Durchflussfaktor zu vernachlässigen und es gilt c₁* = c₂*. Der Massestrom Q_AL- durch die Abzweigleitung ergibt sich dann als Differenz zwischen den beiden Masseströmen durch die Vor- und die Nachdüse:
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt eines Errechnens des Nachdüsen-Eingangssolldrucks p_2,Soll aus dem vorgegebenen Massestrom Q_Pr und dem Vordüsen-Eingangsdruck p₁. Dies geschieht besonders vorzugsweise nach der nach p_2,Soll umgestellten Formel
Alternativ wird der gewünschte Nachdüsen-Eingangssolldrucks p_2,Soll für den jeweils gewünschten Massestrom Q_Pr und den Vordüsen-Eingangsdruck p₁ aus einer Datenbank oder Tabelle ausgelesen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte eines Erfassens einer Vordüsen-Eingangstemperatur T₁ des Gasstromes vor der Vordüse, eines Erfassens einer Nachdüsen-Eingangstemperatur T₂ des Gasstroms vor der Nachdüse, und eines Bestimmens des Nachdüsen-Eingangssolldrucks p_2,Soll aus dem vorgegebenen Massestrom Q_Pr, dem Vordüsen-Eingangsdruck p₁, der Vordüsen-Eingangstemperatur T₁ und der Nachdüsen-Eingangstemperatur T₂.
Die Geschwindigkeit v des Gases in der kritisch betriebenen Vordüse und der kritisch betriebenen Nachdüse entspricht an der jeweils engsten Stelle der Düse der Schallgeschwindigkeit v_Schall. Diese hängt neben dem herrschenden Druck p auch von der jeweiligen Temperatur T des Gases ab. Da das Gas beim Durchströmen der Vordüse wie der Nachdüse expandiert, verändert sich auch dessen Temperatur. Die daraus resultierenden geringen Änderungen in der Schallgeschwindigkeit des Gases in der jeweiligen Düse haben somit geringe Änderungen in der Durchflussmenge durch die jeweilige Düse zur Folge. Um die Schallgeschwindigkeit v_Schall und somit auch den daraus errechneten Massestrom und den Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll genauer berechnen zu können, werden vorzugsweise die Eingangstemperaturen unmittelbar vor der Vordüse und vor der Nachdüse erfasst und gehen in die Berechnung der gewünschten Größen ein.
Vorzugsweise umfasst das Bestimmen des Nachdüsen-Eingangssolldruckes p_2,Soll folgende Schritte:

a) Setzen eines Startwertes für eine Nachdüsengaskonstante R₂₀ auf die Vordüsengaskonstante R₁ und für den kritischen Durchflussfaktor c₂₀* = c₂* der Nachdüse,
b) Berechnen eines Iterations-Massestroms QPr,0 gemäß der Formel
c) Berechnen verbesserter Iterationswerte R₂₁ für die Nachdüsengaskonstante und c*21 für den kritischen Durchflussfaktor der Nachdüse (16) aus dem Mischungsverhältnis des Massestromes (Q_m1) durch die Vordüse (4) und dem Iterationsmassestrom (Q_Pr,0),
d) Fortschreiten in den nächsten Iterationsschritt durch Setzen R₂₀ = R₂₁ und c*20 = c*21 ,
e) Wiederholen der Schritte b) bis e) bis eine Änderung des Iterations-Massestrom (Q_Pr,0) von einem Iterationsschritt zum nächsten Iterationsschritt einen vorgegebenen Wert unterschreitet, und
f) Setzen des Massestromes Q_Pr auf den Iterations-Massestrom= Q_Pr,0.

In dem Fall, dass der Massestrom Q_Pr in der Abzweigleitung auf die Hauptgasleitung zufließt, in den Hauptgasstrom also Gas eingeleitet wird, werden die Vordüse und die Nachdüse nicht mehr vom gleichen Gas durchströmt. Die Gaszusammensetzung in der Nachdüse verändert sich dann gemäß dem Verhältnis der beiden vermischten Masseströme. Die oben genannten Gleichungen führen wegen des Einflusses der Gaszusammensetzung auf den kritischen Durchflussfaktor und die spezifische Gaskonstante auf eine Iteration zur Bestimmung des durch die Abzweigleitung fließenden Massestromes.
Ausgangspunkt ist dabei das in Schritt a) beschriebene Setzen der Startwerte. Man geht dabei davon aus, dass der Gasstrom unverändert der Zusammensetzung des Gasstromes in der Vordüse entspricht. Daher wird die spezifische Gaskonstante auf den entsprechenden Wert gesetzt. Auch der kritische Durchflussfaktor wird auf den unveränderten Wert gesetzt.
Aus diesen Werten kann nun der Iterations-Massestrom Q_Pr,0 errechnet werden. Gemäß dem Mischungsverhältnis der Masseströme durch die Vordüse und die Abzweigleitung Q_m1/Q_Pr,0 ergeben sich neue, verbesserte Iterationswerte für die Zusammensetzung des Hauptstromes durch die Nachdüse und damit für die spezifi sche Gaskonstante und den kritischen Durchflussfaktor. Diese werden wiederholt in die Formel im Schritt c) eingesetzt. Dies wird wiederholt bis der Wert für den Massestrom durch die Abzweigleitung Q_Pr,0 sich weniger als ein vorgegebener Wert ändert, also bis der Wert konvergiert ist.
Vorzugsweise erfolgt das Betätigen des Abzweigventils durch eine elektrische Steuereinrichtung. Dadurch wird der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ genauer eingestellt. Vorzugsweise erfasst die elektrische Steuereinrichtung kontinuierlich den Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ und regelt das Abzweigventil entsprechend nach, wenn Abweichungen vom voreingestellten Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll auftreten.
Soll der vorgegebene Massestrom Q_Pr zeitabhängig sein, um beispielsweise von der Zeit abhängige Mischungsverhältnisse zweier Gase zu erhalten, wird dieser zeitlich veränderliche Massestrom Q_Pr an die elektrische Steuereinrichtung, beispielsweise über eine Tastatur, übergeben und diese betätigt das in der Abzweigleitung vorgesehene Abzweigventil so, dass der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ zu jedem Zeitpunkt dem zeitabhängigen Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll entspricht.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren zum Bestimmen eines unbekannten kritischen Durchflussfaktors mit den folgenden Schritten:

– Leiten eines Hauptgasstroms mit einem Vordüsen-Eingangsdruck p₁ durch eine Vordüse,
– Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Vordüse (4) angeordnete Hauptgasleitung (6), die einen Verbindungspunkt (8) aufweist, an dem eine Abzweigleitung abzweigt,
– Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Hauptgasleitung angeordnete Nachdüse
– Einstellen des Vordüsen-Eingangsdrucks p₁ so, dass die Vordüse und die Nachdüse kritisch betrieben werden,
– Betätigen eines in der Abzweigleitung vorgesehenen Abzweigventils,
– Erfassen des Massestroms Q_m1 durch die Vordüse und des Massestroms Q_AL durch die Abzweigleitung,
– Bestimmen der Gaszusammensetzung und des Massestromes Q_m2 in der Nachdüse aus den erfassten Masseströmen,
– Bestimmung der spezifischen Gaskonstante R₂ und des Düsenbeiwertes c_D2 für die bestimmte Gaszusammensetzung,
– Erfassen des Nachdüsen-Eingangsdrucks p₂ und der Nachdüseneingangstemperatur T₂,
– Berechnen des kritischen Durchflussfaktors aus den erhaltenen Werten und der Querschnittsfläche A₂ der Nachdüse gemäß der Formel

Eine erfindungsgemäße Gasstromerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms mit vorgegebenem Massestrom Q_Pr umfasst

a) eine kritisch betreibbare Vordüse,
b) eine kritisch betreibbare Nachdüse, die mit der Vordüse in Reihe geschaltet ist,
c) eine die Vordüse und die Nachdüse verbindende Hauptgasleitung,
d) eine von der Hauptgasleitung abzweigende Abzweigleitung,
e) ein in der Abzweigleitung vorgesehenes Abzweigventil,
f) eine Vordüsendruckerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines vor der Vordüse herrschenden Vordüsen-Eingangsdruckes p₁ und
g) eine Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines vor der Nachdüse herrschenden Nachdüsen-Eingangsdruckes p₂.

Vorzugsweise umfasst die Gasstromerzeugungsvorrichtung zusätzlich einen Vordüsentemperatursensor zum Erfassen einer vor der Vordüse herrschenden Vordüseneingangstemperatur T₁ und einen Nachdüsentemperatursensor zum Erfassen einer vor der Nachdüse herrschenden Nachdüseneingangstemperatur T₂.
Eine Gasstromerzeugungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine elektrische Steuereinrichtung, die mit der Vordüsendruckerfassungsvorrichtung, der Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung und dem Abzweigventil verbunden ist und über die das Abzweigventil steuerbar ist. Diese elektrische Steuereinrichtung erfasst im Betrieb den Vordüsen-Eingangsdruck p₁ sowie den Nachdüseneingangsdruck p₂. In einer Speichereinheit der elektrischen Steuereinrichtung ist beispielsweise der gewünschte Massestrom Q_Pr durch die Abzweigleitung gespeichert. Vorzugsweise errechnet die elektrische Steuereinrichtung daraus und aus den gemessenen Eingangsdrücken p₁ und p₂ den Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll und regelt das Abzweigventil so, dass der Nachdüseneingangsdruck p₂ _, der durch die elektrische Steuereinrichtung kontinuierlich gemessen wird, dem Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll entspricht. Alternativ liest die elektrische Steuereinrichtung den Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll aus einer Datenbank aus, die beispielsweise in einer Speichereinheit der elektrischen Steuereinrichtung hinterlegt ist.
Vorzugsweise ist die elektrische Steuereinrichtung zusätzlich mit dem Vordüsentemperatursensor und dem Nachdüsentemperatursensor verbunden. In diesem Fall erfasst die elektrische Steuereinrichtung zusätzlich die Vordüseneingangstemperatur T₁ und die Nachdüseneingangstemperatur T₂ und berechnet vorzugsweise aus diesen Werten und den erfassten Eingangsdrücken p₁ und p₂ die jeweils in der Vor- bzw. Nachdüse herrschende Schallgeschwindigkeit. Aus diesen errechnet die Steuereinrichtung beispielsweise die Durchflussmengen durch die jeweilige Düse und daraus den gewünschten Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll.
Alternativ entnimmt die Steuereinrichtung für die von ihr erfassten Temperatur- und Druckwerte und dem vorgegebenen gewünschten Massestrom Q_Pr den nötigen Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll aus einer Datenbank, die beispielsweise in einer Speichereinheit der elektrischen Steuereinrichtung hinterlegt ist.
Eine elektrische Steuereinrichtung ist beispielsweise auch eine elektronische Steuereinrichtung, mit einer Speichereinheit und einer elektronischen Prozessoreinheit, in der die benötigten Rechnungen und Programmabläufe durchgeführt werden.
Die elektrische Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet zum Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (a) Erfassen eines vorgegebenen Massestroms Q_Pr, (b) Erfassen des Vordüsen-Eingangsdruckes p₁, (c) Errechnen des Nachdüsen- Eingangssolldrucks p_2,Soll und (d) Einstellen des Nachdüsen-Eingangsdruckes p₂ auf den Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll durch Betätigen des Abzweigventils.
Das Erfassen des vorgegebenen Massestroms Q_Pr erfolgt vorteilhafterweise über eine Eingabevorrichtung der elektrischen Steuereinrichtung, die beispielsweise in Form einer Tastatur ausgebildet ist. Vorzugsweise erfasst die elektrische Steuereinrichtung während des gesamten Betriebs der Gasstromerzeugungsvorrichtung den Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ und vergleicht diesen mit dem momentan geltenden Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll, der auch zeitabhängig sein kann. Sollte der von der Steuereinrichtung ermittelte Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ vom Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll abweichen, regelt die elektrische Steuereinrichtung selbsttätig das Abzweigventil nach, bis die beiden Drücke wieder übereinstimmen.
Mit Hilfe einer Zeichnung soll nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend näher beschrieben werden. Es zeigt
1 eine schematische Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gasstromerzeugungsvorrichtung.
1 zeigt die schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Gasstromerzeugungsvorrichtung. Einem Reservoir 1 wird Gas entnommen, dem ein Gasstrom mit dem vorgegebenen Massestrom Q_Pr zugeführt oder von dem dieser Massestrom abgezweigt werden soll. Dieses Gas wird über ein Zuführventil 2 einer Vordüse 4 zugeführt. Über das Zuführventil 2 kann der vor der Vordüse herrschende Vordüsen-Eingangsdruck p₁ eingestellt werden.
Das Gas wird durch die Vordüse 4 geleitet und erreicht dann eine Hauptgasleitung 6. In einem Verbindungspunkt 8 zweigt von der Hauptgasleitung 6 eine Abzweigleitung 10 ab. In ihr ist ein Abzweigventil 12 vorgesehen, über das der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ so geregelt wird, dass durch die Abzweigleitung 10 der Gasstrom mit dem gewünschten Massestrom Q_Pr fließt. Dieser kann der Hauptgasleitung 6 sowohl zugeführt als auch von ihr abgezweigt werden, was durch den Doppelpfeil 14 in 1 angedeutet ist.
Nachdem das Gas den Verbindungspunkt 8 in der Hauptgasleitung 6 passiert hat, erreicht es eine Nachdüse 16. Der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ wird unmitetlbar vor der Nachdüse 16 gemessen. Anschließend kann das Gas entweder dem Reservoir 1 wieder zugeführt werden oder, insbesondere bei umwelttechnisch unbedenklichen Gasen, in die Atmosphäre entlassen werden. Nach der Nachdüse 16 herrscht im Gas ein Nachdüsen-Ausgangsdruck p₃.
Die in 1 schematisch gezeigte Gasstromerzeugungsvorrichtung umfasst eine elektrische Steuereinrichtung 18, die mit einer Vordüsendruckerfassungsvorrichtung 20 zum Erfassen des Vordüsen-Eingangsdrucks p₁, einer Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung 22 zum Erfassen des Nachdüsen-Eingangsdrucks p₂, einem Vordüsentemperatursensor 24 zum Erfassen der Vordüseneingangstemperatur T₁, ei fern Nachdüsentemperatursensor 26 zum Erfassen der Nachdüseneingangstemperatur T₂ und dem Abzweigventil 12 verbunden ist.
Zu Beginn wird über das Zuführventil 2 der Vordüsen-Eingangsdruck p₁ so eingestellt, dass sowohl die Vordüse 4 als auch die Nachdüse 16 kritisch betrieben werden. Ist das Abzweigventil 12 in diesem Moment geschlossen, wird sich der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ so einstellen, dass durch die Vordüse 4 und die Nachdüse 16 die gleiche Gasmenge fließt.
Aus den in der Vordüsendruckerfassungsvorrichtung 20 und der Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung 22 erfassten Drücken errechnet die elektrische Steuereinrichtung 18 die Durchflussmengen Q_m1 und Q_m2 durch die Vordüse 4 und die Nachdüse 16. Hierzu kann die folgende Formel verwendet werden
wobei der Index i 1 für die Vordüse und 2 für die Nachdüse ist.
Aus einem der elektrischen Steuereinrichtung 18 über eine nicht eingezeigte Eingabevorrichtung, beispielsweise in Form einer Tastatur, übergebenen gewünschten Massestrom Q_Pr errechnet die elektrische Steuereinrichtung 18 einen Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll, bei dem der gewünschte Massestrom Q_Pr durch die Abzweigleitung 10 fließt.
Die elektrische Steuereinrichtung 18 regelt dann das Abzweigventil so, dass der Nachdüseneingangsdruck p₂ auf den Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll eingeregelt wird. Alternativ liest die elektrische Steuereinrichtung den passenden Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll aus einer in einer nicht gezeigten Speichereinrichtung der elektrischen Steuereinrichtung vorliegenden Datenbank aus.
Während des Betriebs der schematisch gezeigten Gasstromerzeugungsvorrichtung erfasst die elektrische Steuereinrichtung 18 vorzugsweise sowohl den Vordüsen-Eingangsdruck p₁ als auch den Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ und regelt das Abzweigventil 12 gegebenenfalls so nach, dass der Nachdüsen-Eingangsdruck p₂ dem Nachdüsen-Eingangssolldruck p_2,Soll entspricht. Dies tut sie insbesondere dann, wenn der vorgegebene Massestrom Q_Pr sich zeitlich verändern soll.
Dadurch, dass der in der Abzweigleitung 10 fließende Gasstrom mit dem vorgegebenen Massestrom Q_Pr nicht direkt einer der beiden kritisch betriebenen Düsen 4, 6 entnommen wird, sind auch extrem kleine vorgegebene Masseströme Q_Pr möglich.

1: Reservoir
2: Zuführventil
4: Vordüse
6: Hauptgasleitung
8: Verbindungspunkt
10: Abzweigleitung
12: Abzweigventil
14: Doppelpfeil
16: Nachdüse
18: elektrische Steuereinrichtung
20: Vordüsendruckerfassungsvorrichtung
22: Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung
24: Vordüsentemperatursensor
26: Nachdüsentemperatursensor
A: Düsenquerschnittsfläche
c_D: Düsenbeiwert
c*: kritischer Durchflussfaktor
R: spezifische Gaskonstante
T: Temperatur
p: Druck

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Gasstroms, das folgende Schritte umfasst: a) Vorgeben eines Massestroms (Q_Pr) des Gasstroms, b) Leiten eines Hauptgasstroms mit einem Vordüsen-Eingangsdruck (p₁) durch eine Vordüse (4), c) Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Vordüse (4) angeordnete Hauptgasleitung (6), die einen Verbindungspunkt (8) aufweist, an dem eine Abzweigleitung (10) abzweigt, d) Leiten des Hauptgasstroms durch eine hinter der Hauptgasleitung (6) angeordnete Nachdüse (16), e) Einstellen des Vordüsen-Eingangsdrucks (p₁) so, dass die Vordüse (4) und die Nachdüse (16) kritisch betrieben werden, und f) Betätigen eines in der Abzweigleitung (10) vorgesehenen Abzweigventils (12), so dass ein Nachdüsen-Eingangsdruck (p₂), der vor der Nachdüse (16) herrscht, auf einen Nachdüsen-Eingangs-Solldruck (p_2,Soll) geändert wird, bei dem sich in der Abzweigleitung (10) der Gasstrom mit dem vorgegebenen Massestrom (Q_Pr) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: – Errechnen des Nachdüsen-Eingangssolldrucks (p_2,Soll) aus dem vorgegebenen Massestrom (Q_Pr) und dem Vordüsen-Eingangsdruck (p₁).
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt: – Errechnen des Nachdüsen-Eingangs-Solldrucks (p_2,Soll) gemäß der Formel:
wobei d der Halsdurchmesser einer Düse, c_D der Düsenbeiwert einer Düse, c* der kritische Durchflussfaktor einer Düse, p der Eingangsdruck einer Düse, T die Eingangstemperatur einer Düse und R die spezifische Gaskonstante des Gases in einer Düse bezeichnet und Größen der Vordüse mit dem Index 1 und Größen der Nachdüse mit dem Index 2 gekennzeichnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Schritte – Erfassen einer Vordüsen-Eingangstemperatur (T₁) des Gasstromes vor der Vordüse (4), – Erfassen einer Nachdüsen-Eingangstemperatur (T₂) des Gasstroms vor der Nachdüse (16) und – Bestimmen des Nachdüsen-Eingangssolldrucks (p_2,Soll) aus dem vorgegebenen Massestrom (Q_Pr), dem Vordüsen-Eingangsdruck (p₁), der Vordüsen-Eingangstemperatur (T₁) und der Nachdüsen-Eingangstemperatur (T₂)
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen des Nachdüsen-Eingangssolldruck (p_2,Soll) die folgenden Schritte umfasst: a) Setzen eines Startwertes für eine Nachdüsengaskonstante (R₂₀) auf die Vordüsengaskonstante (R₁) und für den kritischen Durchflussfaktor c*20 = c*2 der Nachdüse (16), b) Berechnen eines Iterations-Massestroms (Q_Pr,0) gemäß der Formel
c) Berechnen verbesserter Iterationswerte R₂₁ für die Nachdüsengaskonstante und c*21 für den kritischen Durchflussfaktor der Nachdüse (16) aus dem Mischungsverhältnis des Massestromes (Q_m1) durch die Vordüse (4) und dem Iterationsmassestrom (Q_Pr,0), d) Fortschreiten in den nächsten Iterationsschritt durch Setzen R₂₀ = R₂₁ und c*20 = c*21 , e) Wiederholen der Schritte b) bis e) bis eine Änderung des Iterations-Massestrom (Q_Pr,0) von einem Iterationsschritt zum nächsten Iterationsschritt einen vorgegebenen Wert unterschreitet, und f) Setzen des Massestromes Q_Pr auf den Iterations-Massestrom = Q_Pr,0.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigen des in der Abzweigleitung (10) vorgesehenen Abzweigventils (12) durch eine elektrische Steuereinrichtung (18) erfolgt.
Gasstromerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms mit vorgegebenem Massestrom (Q_Pr) mit a) einer kritisch betreibbaren Vordüse (4), b) einer kritisch betreibbaren Nachdüse (16), die mit der Vordüse (4) in Reihe geschaltet ist, c) einer die Vordüse (4) und die Nachdüse (16) verbindenden Hauptgasleitung (6), d) einer von der Hauptgasleitung (6) abzweigenden Abzweigleitung (10), e) einem in der Abzweigleitung (10) vorgesehenen Abzweigventil (12), f) einer Vordüsendruckerfassungsvorrichtung (20) zum Erfassen eines vor der Vordüse (4) herrschenden Vordüsen-Eingangsdrucks (p₁) und g) einer Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung (22) zum Erfassen eines vor der Nachdüse (16) herrschenden Nachdüsen-Eingangsdruckes (p₂).
Gasstromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – einen Vordüsentemperatursensor zum Erfassen einer vor der Vordüse (4) herrschenden Vordüseneingangstemperatur (T₁) und – einen Nachdüsentemperatursensor zum Erfassen einer vor der Nachdüse (16) herrschenden Nachdüseneingangstemperatur (T₂).
Gasstromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuereinrichtung (18), die mit der Vordüsendruckerfassungsvorrichtung (20), der Nachdüsendruckerfassungsvorrichtung (22) und dem Abzweigventil (12) verbunden ist und die zum Steuern und/oder Regeln des Abzweigventils (12) eingerichtet ist.
Gasstromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuereinrichtung (18) mit dem Vordüsentemperatursensor und dem Nachdüsentemperatursensor verbunden ist.
Gasstromerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuereinrichtung (18) ausgebildet ist zum Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten a) Erfassen des vorgegebenen Massestroms (Q_Pr), b) Erfassen des Vordüsen-Eingangsdruckes (p₁), c) Errechnen des Nachdüsen-Eingangssolldrucks (p_2,Soll), d) Einstellen des Nachdüsen-Eingangsdruckes (p₂) auf den Nachdüsen-Eingangssolldruck (p_2,Soll) durch Betätigen des Abzweigventils (12).