DE4336174C2

DE4336174C2 - Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen

Info

Publication number: DE4336174C2
Application number: DE4336174A
Authority: DE
Inventors: Manfred Jaeschke
Original assignee: Ruhrgas AG
Current assignee: EOn Ruhrgas AG
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2013-10-23
Also published as: DE4336174A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ver brennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengen zufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen, insbesondere zu Erdgasverbrauchseinrichtungen.

Die verbrennungslosen Meßverfahren zur Wärmemengenmes sung haben gegenüber kalorimetrischen Verfahren, in denen eine kontrollierte Teilstrom-Verbrennung des übertragenen Gasstroms durchgeführt wird, den Vorteil, daß sie wesentlich kostengünstiger sind. Allerdings ist die technische Reali sierung häufig aufwendig, abgesehen davon, daß Schwierig keiten bei der Eichung auftreten können.

Zu den verbrennungslosen Meßverfahren gehören indirekte und korrelative Verfahren. Bei den indirekten Verfahren wird die Wärmemengenzufuhr aus einer Analyse der Gaszusammenset zung und dem Volumenstrom ermittelt. Aus der Zusammensetzung des Gases kann dann mit den Brennwerten für die reinen Stof fe unter Einbezug des Volumenstromes die Wärmemengenzufuhr berechnet werden. Diese Verfahren (z. B. die Gaschromatogra phie) liefern sehr genaue Ergebnisse, sind aber technisch kompliziert und daher für den Einsatz in beispielsweise Haushalten kaum geeignet. Zudem sind sie störanfällig.

Bei den korrelativen Verfahren zur Wärmemengenmessung wird ein Zusammenhang zwischen einer leicht meßbaren phy sikalischen oder chemischen Meßgröße und dem Brennwert ausgenutzt. Die technische Durchführung ist hierbei ein facher, jedoch wird die Reproduzierbarkeit und die Genauig keit der Wärmemengenmessung in unerwünschtem Maße einge schränkt.

Aus der DE 27 53 151 C2 ist ein Gerät zur Messung der thermischen Leistung eines Systems mit Fluidkreislauf, bei spielsweise eines Druckwasserkernreaktors, bekannt. Aus Meßwerten der Schallgeschwindigkeit wird bei diesem Gerät zunächst der Volumenstrom und aus dem Volumenstrom, den Tem peraturen in beiden Kreislaufzweigen und dem Druck dann die thermische Leistung des Systems bestimmt.

Ferner ist aus der EP 0 328 885 ein Multifunktionsmeßgerät für Wohnungen zur Messung der gesam ten in der Wohnung verbrauchten Wasser- und Erdgasmenge bekannt, bei dem u. a. der Volumenstrom des zu jeder Wohnung zugeführten Erdgases mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit gemessen wird.

Schließlich beschreibt die GB 2 119 512 A ganz allgemein eine Einrichtung zur Messung thermodynamischer Größen, die ein Gehäuse mit variierbarem Innenvolumen aufweist und in der Temperatur- und Drucksensoren vorgesehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand bei der korre lativen verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wär memengenzufuhr zu Verbrauchseinrichtungen weiter zu verrin gern und insbesondere ein zuverlässiges und genaues Meßver fahren zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe liegt erfindungsgemäß darin,

a) daß das Brenngas oder ein Teilstrom des Brenngases durch einen Volumenzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen wird,
b) daß außerdem der Druck, die Temperatur, die Dichte des Brenngases und die Schallgeschwindigkeit im Brenngas unter Normbedingungen sowie mindestens eine der Meßgrößen Schallgeschwindigkeit im Brenngas unter Betriebsbedingungen, Dichte des Brenngases unter Betriebsbedingungen oder der Anteil mindestens eines Inertgases am Brenngas erfaßt werden und
c) daß aus diesen wenigstens sechs Parametern die zuge führte Wärmemenge als Meß- oder Regelgröße abgeleitet wird.

Für Anwendungsfälle, in denen eine geringere Meßgenauig keit genügt, schlägt die Erfindung als vereinfachte alterna tive Lösung vor,

a) daß das Brenngas oder ein Teilstrom des Brenngases durch einen Volumenzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen wird,
b) daß außerdem die Temperatur des Brenngases und die Schallgeschwindigkeit im Brenngas erfaßt werden und
c) daß aus diesen drei Parametern die zugeführte Wärme menge als Meß- oder Regelgröße abgeleitet wird.

Für die Messung des Volumenstroms, des Druckes, der Tem peratur und ggf. der Dichte unter Norm- bzw. Betriebsbedin gungen existieren in der Praxis verschiedene bewährte Meß verfahren. Die Schallgeschwindigkeit bei Norm- oder Be triebsbedingungen kann in einer separaten Meßeinheit bei spielsweise über die Resonanzfrequenz von Wirbelpfeifen oder von Hohlkörpern erfaßt werden. Die erforderlichen Messungen können also einfach, zuverlässig und genau durchgeführt wer den, so daß die Verknüpfung der Meßwerte entsprechende Ergebnisse liefert.

Das an erster Stelle genannte erfindungsgemäße Verfahren kann in drei verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden:
In der ersten Ausführungsform dieses Verfahrens kann die zugeführte Wärmemenge bereits aus dem Volumenstrom, dem Druck, der Temperatur, der Schallgeschwindigkeit und der Dichte unter Normbedingungen und der Schallgeschwindigkeit unter Betriebsbedingungen abgeleitet werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann als zusätzliche Meßgröße der Anteil eines Inertgases, vorzugsweise der Kohlenstoffdioxidanteil erfaßt werden. Die Meßzuverlässigkeit kann noch weiter erhöht werden, wenn außerdem der Stickstoffanteil des Gases erfaßt wird.

Einer zweiten Ausführungsform des an erster Stelle genannten Verfahrens liegen als Basis die Meßgrößen Volumenstrom, Druck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Dichte unter Normbedingungen und Dichte unter Betriebsbedingungen zugrunde. Diese Verfahrensvariante kann besonders vorteilhaft bei schon existierenden Gasverbrauchszähleinrichtungen eingesetzt werden, in denen die Meßsignale der Dichte unter Norm- und Betriebsbedingungen bereits von entsprechenden Meßeinheiten zur Verfügung gestellt werden. Eine Umrüstung bestehender bisher mit dem kalorimetrischen Verfahren arbeitender Meßeinrichtungen ist in diesem Fall technisch leicht durchführbar. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann bei dieser Verfahrensvariante in analoger Weise zur ersten Ausführungsform ebenfalls der Anteil eines Inertgases, vorzugsweise der Kohlenstoffdioxidanteil erfaßt werden. Die Meßgenauigkeit kann durch die zusätzliche Messung des Stickstoffanteils weiter verbessert werden. Die aufwendigste aber genaueste Möglichkeit zur Bestimmung der Wärmemengenzufuhr besteht bei dieser Verfahrensvariante darin, auch die Schallgeschwindigkeit bei Betriebsbedingungen zu messen.

Die dritte Variante des an erster Stelle genannten Verfahrens besteht darin, die zugefügte Wärmemenge auf der Basis der Meßgrößen Volumenstrom, Druck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit und Dichte unter Normbedingungen und dem Anteil eines Inertgases, vorzugsweise dem Kohlenstoffdioxidanteil zu bestimmen. Dieses Verfahren ist besonders in den Verbrauchsseinrichtungen praktisch und einfach durchzuführen, in denen bisher mit direkten Verfahren gearbeitet wurde, die bereits die Meßgrößen Druck, Temperatur, Dichte bei Normbedingungen und Kohlenstoffdioxidanteil zur Verfügung stellen. Durch die Hinzunahme weiterer Meßgrößen wie den Stickstoffgehalt oder die Schallgeschwindigkeit bei Betriebsbedingungen ist es auch bei dieser Verfahrensvariante möglich, die Meßgenauigkeit ohne besonderen Aufwand weiter zu erhöhen.

Mit allen Varianten des an erster Stelle genannten erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Wärmemengenzufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen nicht nur sehr einfach, sondern insbesondere mit einer hohen Genauigkeit messen. Es ist deshalb für den Einsatz an Haupttransportleitungen mit einem hohen Gasdurchsatz besonders geeignet.

Bei Energiezählungen, bei denen die Wärmemengenzufuhr erheblich geringer ist, beispielsweise in Haushalten, hat es sich gemäß dem an zweiter Stelle genannten erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, die Schallgeschwindigkeit als einfach zu messende Meßgröße in die Bestimmung der Wärmemengenzufuhr zu integrieren. Für diese Anwendung genügt es, den Volumenstrom, die Temperatur, die Schallgeschwindigkeit und vorzugsweise die Dichte des Gases unter Betriebsbedingungen zu erfassen. Die Wärmemengenzufuhr kann dann im einfachsten Fall schon aus diesen drei vorzugsweise vier technisch leicht meßbaren Meßgrößen abgeleitet werden.

Zur Eichung der vorstehend beschriebenen beiden Verfahren ist es vorteilhaft, den jeweiligen Verfahrensschritten a) bis c) mehrere Meßzyklen vorzuschalten, bei denen die Verfahrensschritte a) und b) mit einem Referenzgas bekannten Brennwerts durchgeführt werden. Bei diesem Referenzgas werden dann die für die verschiedenen Varianten der Verfahren benötigten Meßgrößen erfaßt. Da die Wärmemenge des Referenzgases bekannt ist, wird in diesen Referenzzyklen aus dem Verhältnis der dabei erfaßten verschiedenen Meßsignalen eine der Zahl der Meßzyklen entsprechende Zahl von Referenzsignalmustern in Zuordnung zu den zugeführten Wärmemengen gespeichert. Das Signalmuster aus dem anschließenden Meßzyklus des Brenngases wird mit den Referenzsignalmustern zur Zuordnung einer bestimmten Wärmemenge verglichen.

Zur Erhöhung der Referenzgenauigkeit sollte eine Vielzahl von Referenzzyklen durchgeführt werden, in denen nacheinander die verschiedenen Meßgrößen über den zu erwartenden Meßbereich variiert werden. Eine eindeutige und genaue Zuordnung einer bestimmten Wärmemenge zu einem Signalmuster aus dem anschließenden Meßzyklus des Brenngases wird durch Interpolation der verschiedenen Referenzsignalmuster erzielt. Zur Optimierung der Referenzgenauigkeit werden zusätzliche Meßgrößen, die zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei den nachgeschalteten Brenngasmessungen erfaßt werden sollen, beispielsweise der Stickstoffanteil des Gases, bei den Referenzzyklen erfaßt. Sie werden bei den verschiedenen Rererenzzyklen dann ebenfalls variiert und als weitere Parameter in das Referenzsignalmuster eingeflochten werden.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Eichung des Verfahrens mit einer beliebigen Anzahl von Referenzzyklen für eine spezielle Anwendung nur einmal durchgeführt werden muß. Der einmalige Aufwand ist verhältnismäßig gering. Die Referenzbedingungen sollten hierbei möglichst getreu den später zu erwartenden Meßbedingungen gewählt werden. Es sollten also für alle Meßgrößen nur die tatsächlich in Frage kommenden Meßbereiche mit einer ausreichenden Genauigkeit als Referenzsignalmuster erfaßt werden.

In einer Weiterbildung des an zweiter Stelle genannten Verfahrens kann zur Erhöhung der Meßgenauigkeit zusätzlich der Druck oder der Anteil mindestens eines Inertgases, vorzugsweise der Kohlenstoffdioxidanteil erfaßt werden. Ist es wünschenswert, die Meßgenauigkeit durch Einbeziehung einer der zusätzlichen Meßgrößen Druck oder mindestens eines Inertgasanteils zu erhöhen, so müssen diese Meßgrößen auch in den Referenzzyklen erfaßt und in das Referenzsignalmuster mit einbezogen werden. Auf diese Weise kann einfach durch Zunahme weiterer Meßgrößen die Genauigkeit der Referenzzyklen der erforderlichen Meßgenauigkeit beliebig angepaßt werden. Die Genauigkeit wird beim Haushaltsgaszähler dadurch optimiert, daß außer den drei vorzugsweise vier erforderlichen Meßgrößen sowohl Druck als auch Kohlenstoffdioxidanteil und Stickstoffanteil gemessen werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenigstens eine der zusätzlichen Meßgrößen für alle Gasverbrauchseinrichtungen zentral zu messen. So kann bei dem an zweiter Stelle genannten Verfahren auf die Messung des Inertgasanteils und des Drucks in den Energiezählern vor Ort verzichtet werden, und es können stattdessen die entsprechenden Meßgrößen, falls zur Erhöhung der Meßgenauigkeit notwendig, zentral erfaßt werden. Durch die zentrale Erfassung eines Teils der Meßgrößen wird auf der einen Seite der Aufwand bei der Herstellung der Installation der Energiezähler drastisch gesenkt. Auf der anderen Seite werden die Wartungs- und Reparaturkosten optimiert, da ein großer Teil der Meßeinheiten vor Ort wegfällt und die eine zentrale Meßeinheit auch zentral gewartet werden kann.

In Weiterbildung der Verfahren ist es möglich, die Schallgeschwindigkeit und die Dichte des Gases in einer gemeinsamen Meßeinheit zu erfassen. Dazu kann vorzugsweise ein Fluidic-Element von dem die zu messende Wärmemenge zur Verfügung stellenden Gas durchströmt werden. Das Fluidic- Element wird dabei in eine akustische Schwingung versetzt, deren Frequenz proportional zur Schallgeschwindigkeit des Gases ist. Diese Frequenz wird gemessen. Als zweite Meßgröße wird der Druck im Fluidic-Element gemessen. Aus der Schallgeschwindigkeit und dem Meßwert für den Druck kann dann die Dichte des Gases bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, zwei der zur Bestimmung der Wärmemenge nötigen Parameter, nämlich Schallgeschwindigkeit und Dichte, in einem einzigen Schritt zu erfassen und dadurch das Verfahren weiter zu verbessern.

Eine spezielle Ausführung der Verfahren sieht vor, daß ein Ultraschallzähler von dem Gas durchströmt wird und daß aus den Meßsignalen des Ultraschallzählers die Schallgeschwindigkeit abgeleitet wird. Diese direkte Messung der Schallgeschwindigkeit aus den Meßsignalen eines Durchflußmessers hat sich als besonders einfach und zuverlässig im Einsatz bewiesen.

Claims

1. Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen, insbesondere Erdgasverbrauchseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß das Brenngas oder ein Teilstrom des Brenngases durch einen Volumenzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen wird,
b) daß außerdem der Druck, die Temperatur, die Dichte des Brenngases und die Schallgeschwindigkeit im Brenngas unter Normbedingungen sowie mindestens eine der Meßgrößen Schallgeschwindigkeit im Brenngas unter Betriebsbedingungen, Dichte des Brenngases unter Betriebsbedingungen oder der Anteil mindestens eines Inertgases am Brenngas erfaßt werden und
c) daß aus diesen wenigstens sechs Parametern die zugeführte Wärmemenge als Meß- oder Regelgröße abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anteil des mindestens einen Inertgases der Kohlenstoffdioxidanteil erfaßt wird.

3. Verfahren zur verbrennungslosen Messung und/oder Regelung der Wärmemengenzufuhr zu Verbrauchseinrichtungen, insbesondere Erdgasverbrauchseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet,

a) daß das Brenngas oder ein Teilstrom des Brenngases durch einen Volumenzähler geleitet und der Volumenstrom gemessen wird,
b) daß außerdem die Temperatur des Brenngases und die Schallgeschwindigkeit im Brenngas erfaßt werden und
c) daß aus diesen drei Parametern die zugeführte Wärmemenge als Meß- oder Regelgröße abgeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt b) zusätzlich die Dichte des Brenngases unter Betriebsbedingungen erfaßt wird und beim Verfahrensschritt c) die Dichte als vierter Parameter zur Ableitung der zugeführten Wärmemenge berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Verfahrensschritten a) bis c) mehrere Meßzyklen vorgeschaltet sind, bei denen die Schritte a) und b) mit einem Referenzgas bekannten Brennwerts durchgeführt werden; daß aus dem Verhältnis der dabei erfaßten verschiedenen Meßsignale eine der Zahl der Meßzyklen entsprechende Zahl von Referenzsignalmustern in Zuordnung zu den zugeführten Wärmemengen gespeichert wird; und daß das Signalmuster aus dem anschließenden Meßzyklus des Brenngases mit den Referenzsignalmustern zur Zuordnung einer bestimmten Wärmemenge verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich mindestens eine der Meßgrößen Druck oder der Anteil mindestens eines Inertgases, vorzugsweise der Kohlenstoffdioxidanteil, erfaßt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der zusätzlichen Meßgrößen für eine Vielzahl von Gasverbrauchseinrichtungen zentral gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der Schallgeschwindigkeit und der Dichte des Gases ein Fluidic-Element von dem Gas durchströmt und dabei zu einer akustischen Schwingung angeregt wird,
daß die Frequenz der Schwingung und der Druck im Fluidic-Element erfaßt werden,
daß aus der Schwingungsfrequenz die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird,
wobei aus der Schallgeschwindigkeit und dem Meßwert für den Druck außerdem die Dichte des Gases bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschallzähler von dem Gas durchströmt wird und daß aus den Meßsignalen des Ultraschallzählers die Schallgeschwindigkeit abgeleitet wird.