DE69205146T2

DE69205146T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gasdurchflussmessung.

Info

Publication number: DE69205146T2
Application number: DE69205146T
Authority: DE
Inventors: Tapan Bose; Dominique Ingrain; Jean-Marie Saint-Arnaud
Original assignee: QUEBEC A TROIS RIVIERES, University of; Gaz de France SA
Current assignee: QUEBEC A TROIS RIVIERES, University of; Engie SA
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2012-12-29
Also published as: EP0550333A1; EP0550333B1; US5343758A; CA2086451A1; ATE128545T1; DE69205146D1; FR2685766B1; FR2685766A1; ES2089463T3

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Gasdurchflusses in Gasleitungen sowie einen Durchflußzähler zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Messen eines Gasdurchflusses erfordert unter normalen Umständen neben der Kenntnis der Temperatur T und des Drucks P zwei weitere Größen, und zwar das bei der Temperatur T und beim Druck P gemessene Durchflußvolumen sowie den Verdichtbarkeitsfaktor Z oder die Dichte , thermodynamische Größen, die vom Druck, von der Temperatur und von der Zusammensetzung des Gases abhängen.
Das Durchflußvolumen ist zwar einfach zu messen, wenn auch eine Ungenauigkeit zu befürchten ist, die direkt mit den eingesetzten Mitteln zusammenhängt, ob es sich nun um mechanische Mittel wie z. B. Turbinen- oder Kolbenzähler oder um statische Mittel wie Membran- oder insbesondere Ultraschall-Durchflußmesser handelt, jedoch bleibt der Verdichtbarkeitsfaktor selbst eine schwierig zu definierende und zu messende Größe.
Zu seiner Berechnung müssen nämlich Zustandsgleichungen benützt werden, die in den Bereichen eines Hochdrucks von mehr als 120 Bar und einer Niedertemperatur von unter -8 ºC nicht gelten, und seine Messung erfolgt meist über Meßvorrichtungen für volumenbezogene Masse (Dichte), deren Ergebnisse durch diskrete Werte ausgedrückt werden (die chromatographische Analyse erfordert eine Zeit von 15 bis 20 mn pro Versuch)
Nun sind auf dem Gebiet der gasförmigen Brennstoffe, wo die Gaszusammensetzung dazu gebracht wird, die Werte sowohl der Drücke wie auch der Temperaturen zu entwickeln, die für die Berechnung des Verdichtbarkeitsfaktors Z erforderlich sind, die Fehler bezüglich der Volumen nicht vernachlässigbar und können Ursache von Streitfällen oder Auseinandersetzungen zwischen Verkäufern und Käufern werden, vor allem, wenn es sich darum handelt, die gemessenen Volumen in die normgemäßen Druck- und Temperaturbedingungen zu versetzen, die von einer Landes- oder Gemeindebehörde oder auch beispielsweise einfach von einem Unternehmer festgesetzt werden können.
Aufgabe dieser Erfindung ist die Ausführung eines Verfahrens zur Messung von Eigenschaften eines Gases wie Druck, Temperatur und Verdichtbarkeitsfaktor, um den Ferntransport der Menge dieser Gase ohne menschliches Eingreifen zu ermöglichen, wobei lediglich für die Wartung und Überprüfung ein Bediener erforderlich ist.
Diese Zwecke werden erreicht mit einem Verfahren zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids, bestehend aus den folgenden Schritten:
a) Messen der Gastemperatur Tm und des Gasdrucks Fm unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases mittels Temperaturfühler und Druckfühler, die in der Leitung angeordnet sind,
b) Bestimmen des Gasdurchflusses Qm unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases mittels einer Durchflußmeßvorrichtung,
c) Bestimmen der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases durch das Messen der Kapazität eines kapazitiven Meßwandlers, durch den dieses Gas strömt, wobei die Kapazität dieses Elements bei Vakuum zuvor durch eine Vakuummessung als Eichgröße festgestellt wurde,
d) Berechnen des Verdichtbarkeitsfaktors Zm durch eine Verarbeitungs- und Steuereinheit aus der Bestimmung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases und der Messungen der Temperatur Tm und des Drucks Pm mittels einer der folgenden Gleichungen:
wobei R die Konstante der idealen Gase und A&epsi;, B&epsi; und C&epsi; Koeffizienten sind, die in bestimmter Weise von der Zusammensetzung des Gases abhängen,
e) Berechnen des Gasdurchflusses Q in der Leitung, die unter vorbestimmte Referenzbedingungen bezüglich der Temperatur To, des Drucks Po und des Verdichtbarkeitsfaktors Zo gesetzt ist, durch die Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) mittels der folgenden Gleichung:
Dieses Verfahren kann mit Hilfe einer Vorrichtung zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids durchgeführt werden, die aus einer Verarbeitungs- und Steuereinheit besteht, die einerseits mit einer Durchflußmeßvorrichtung verbunden ist, die eine Information bezüglich des Gasdurchflusses Qm unter Temperaturbedingungen To und Druckbedingungen Po abgibt, welche durch Temperaturfühler und Druckfühler, die in dieser Leitung angeordnet sind, bestimmt werden, und andererseits mit einer Einheit zur Bestimmung des Verdichtbarkeitsfaktors Zm verbunden ist, die insbesondere aus Mitteln zur Messung der dielektrischen Konstante &epsi; des in dieser Leitung strömenden Gases verbunden ist, um den Wert des Gasdurchflusses Q unter Setzung von vorbestimmten Referenzbedingungen bezüglich der Temperatur To, des Drucks Po und des Ver-dichtbarkeitsfaktors Zo zu bestimmen.
Die dielektrische Konstante des Gases erhält man bevorzugt von einem kapazitiven Meßwandler, der aus einem zylindrischen Kondensator besteht, um die Wirbelbildung beim Strömen des Gases in der Leitung auf ein Minimum zu reduzieren, und der unter die thermodynamischen Bedingungen der Gaszirkulation gesetzt wird.
Vorteilhafterweise besteht die genannte Durchflußmeßvorrichtung, die mit der Einheit zur Messung des Verdichtbarkeitsfaktors verbunden ist, aus einem Ultraschall-Durchflußmesser.
Die Verarbeitungs- und Steuereinheit besteht aus einem analogen Mittel zur Auswertung der dielektrischen Konstante des Gases, aus einer Mikrosteuerschaltung zur Bestimmung der charakteristischen Parameter des Gases auf Basis dieser Auswertung und der Gasdruck-, Gastemperatur- und Gasdurchflußmessungen, aus einer Erfassungs- und Anzeigeeinheit zur optischen Darstellung dieser Parameter auf Wunsch eines Bedieners, sowie aus Schnittstellenschaltungen zur Fernübertragung dieser Parameter.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal umfaßt das analoge Mittel eine Brückenschaltung, in der der kapazitive Meßwandler einen ersten Zweig bildet und bei der ein zweiter Zweig, der an den ersten angrenzt, einen Referenzkondensator aufweist, der parallel zu einem mit einem numerisch gesteuerten Dämpfungswiderstand in Reihe geschalteten Kondensator angeordnet ist, wobei die dem ersten und dem zweiten Zweig gegenüberliegenden Zweige jeweils mit einem Wechselsignalerzeuger mit entgegengesetzten Phasen ausgestattet sind, und es wird das Gleichgewicht hergestellt, wenn ein Fühler, der an der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges angeordnet ist, nach einer Änderung des Werts des von der Verarbeitungs- und Steuereinheit gesteuerten Dämpfungswiderstandes eine Null-Spannung abgibt.
Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist der kapazitive Meßwandler abzweigend außerhalb der Leitung in dem Kreislauf einer Rohrleitung angeordnet, die vor diesem kapazitiven Meßwandler mit dem in dieser Leitung strömenden Gas gespeist wird, wobei ein Isoliermantel die Wärmeisolierung der Anordnung gewährleistet, um diesen kapazitiven Meßwandler unter thermodynamische Bedingungen zu setzen, insbesondere Temperatur- und Druckbedingungen, die identisch mit denen des Gases sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ist der kapazitive Meßwandler abzweigend innerhalb der Leitung angeordnet und wird von dem in dieser Leitung strömenden Gas durchflossen, welches durch eine Rohrleitung zugeführt wird, die vor diesem kapazitiven Meßwandler gespeist wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung schließlich befindet sich der genannte kapazitive Meßwandler in einem Behälter, der in der Leitung angeordnet ist und mit dem in dieser Leitung strömenden Gas gefüllt ist, welches durch eine Rohrleitung zugeführt wird, die vor diesem kapazitiven Meßwandler gespeist wird.
Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die darstellend aber nicht einschränkend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, wobei
- Fig. 1 eine herkömmliche Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit eines in einer Leitung strömenden Gases darstellt,
- Fig. 2 den kapazitiven Meßwandler, der erfindungsgemäß zur Bestimmung der dielektrischen Konstante verwendet wird, vereinfacht zeigt,
- Fig. 3 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Zählvorrichtung zur Messung des Gasdurchflusses zeigt,
- Fig. 4 ein vereinfachtes Schema der elektronischen Verarbeitungs- und Steuereinheit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zeigt,
- Fig. 5 den Aufbau der analogen Einheit zur Bestimmung der dielektrischen Konstante des in dem kapazitiven Meßwandler von Fig. 2 strömenden Gases zeigt,
- die Figuren 6a bis 6c verschiedene Positionen für die Anordnung der Einheit zur Messung des Verdichtbarkeitsfaktors des erfindungsgemäßen Meßzählers darstellen.
Herkömmlicherweise werden bei der Durchflußmessung allgemein bekannte Technologien wie z. B. Turbinen- oder Kolbenzähler verwendet. Solche Vorrichtungen bieten jedoch aufgrund der Anzahl an beweglichen Teilen, die sie enthalten, nicht immer die Garantien der Langlebigkeit, wie sie bei bestimmten Gasinstallationen erforderlich sind. Es werden daher heute mehr und mehr physikalische Phänomene in Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit der Gase durch Vorrichtungen genutzt, wie z. B. Wirbel-Zähler, bei denen die Wirbeleigenschaften des Fluids bei Anbringung eines Hindernisses in der Strömung ausgenützt werden, oder auch Ultraschall- Durchflußzähler wie der in Fig. 1 dargestellte, die auf der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in dem Gas beruhen.
Bei diesem Durchflußmesser wird die auftretende Geschwindigkeitsänderung des mit Hilfe eines Meßwandlers in einem Fluid gemessenen Schalls bei sich ändernder Strömungsgeschwindigkeit dieses Fluids genutzt. Genauer ausgedrückt, wird der Unterschied der Fortpflanzungszeit des Schalls in jeder der beiden Richtungen zwischen zwei Sende- bzw. Empfangssonden A, B gemessen, die beiderseits der Leitung in einem Abstand L voneinander angeordnet sind, wobei die Achse der Sonden einen Winkel θ mit der Achse dieser Leitung und damit der Strömung bildet.
Die Durchlaufzeiten TAB und TBA ermöglichen die Berechnung von ΔT wie folgt:
ΔT = 2*V*cos(θ)/[c²-V²cos²(θ)] und mit D = Lsin(θ)
ergibt sich für die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
wobei V: Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Stroms,
D: Durchmesser der Leitung,
c: Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls im Gas.
Die gesendeten Signale können Wellenzüge oder Impulse sein, wobei mit den zweiteren eine höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Für eine noch höhere Genauigkeit wird die sogenannte Methode der drei Stränge angewendet, d. h. es werden Messungen an mehreren Stellen des Querschnitts der Leitung durchgeführt, da die Geschwindigkeiten des Fluids nicht homogen sind.
Die notwendigen Integrationszeiten betragen 40 s bei Geschwindigkeiten von mehr als 10 m/s, 100 s bei Geschwindigkeiten von weniger als 10 m/s und 340 s bei Geschwindigkeiten von weniger als 2 m/s. Die Genauigkeit eines solchen Systems beträgt 0,25 % zwischen 2 und 10 % der gesamten Skala und 0,15 % bei weniger als 10 %, mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 %. Ferner hat es durch das Nicht-Vorhandensein jeglicher beweglicher Teile eine sehr hohe Lebensdauer, die perfekt zu der Einheit zur Messung des Verdichtbarkeitsfaktors Z paßt, die ebenfalls eine vollkommen statische Vorrichtung ist, und die nun mit Hinblick auf Fig. 2 beschrieben wird.
Die Vorrichtung zur Messung des Verdichtbarkeitsfaktors beruht auf der Bestimmung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases, das in einer Leitung strömt, deren Gasdurchfluß bestimmt werden soll. Dazu weist diese Vorrichtung einen kapazitiven Meßwandler Ct und einen Referenzkondensator Cref auf.
Der kapazitive Meßwandler Ct ist ein zylindrischer Kondensator, um die Wirbelbildung auf ein Minimum zu reduzieren, und er weist eine erste, zylindrische, innere Elektrode 10 mit bestimmtem Durchmesser und Länge sowie eine zweite, ebenfalls zylindrische, äußere Elektrode 11 auf, die konzentrisch mit der ersten, aber außerhalb von dieser angeordnet ist, d. h. einen größeren Durchmesser hat, wodurch zwischen diesen beiden Elektroden ein freier Zwischenraum 12 mit ringförmigem Querschnitt geschaffen werden kann.
Die äußere Elektrode 11, die eine etwas geringere Länge hat als die innere Elektrode 10, ist an jedem ihrer Enden mit einer dritten Elektrode 13 versehen, die in ihrer Verlängerung angeordnet ist und einfach durch einen Spalt 14 getrennt ist, wobei die Gesamtanordnung die gleiche Länge aufweist wie die innere Elektrode 10. Die äußere Elektrode 11 und die dritte Elektrode 13, die die Funktion einer Wächterelektrode hat, sind in Kontakt mit einem äußeren Zylinder 15, der aus einem isolierenden Material besteht, wobei die verschiedenen Elektroden aus einem leitenden, z. B. metallischen Material ausgeführt sind.
Mit Verbindungsdrähten 16 können diese Elektroden 10, 11, 13 über Klemmen 17, 18, die an der Leitung 1 angebracht sind, mit einer nicht dargestellten elektronischen Steuervorrichtung verbunden werden. Die Klemme 17 ist beispielsweise mit der äußeren Elektrode 11 und die Klemme 18 mit der inneren Elektrode 10 verbunden, wobei die Wächterelektrode 13 direkt mit der Leitung 1 verbunden ist. Ein typischer kapazitiver Meßwandler mißt 300 mm Länge bei einem Durchmesser von 100 mm. Der Außendurchmesser der inneren Elektrode beträgt 60 mm, und der Innendurchmesser der äußeren Elektrode beträgt 75 mm. Die Gesamtanordnung hat in Vakuum eine Kapazität von 100 pF, die bei einem Druck von 60 Bar 105 pF erreichen kann. Der Referenzkondensator Cref hat seinerseits eine Kapazität von 100 pF, die auf etwa 0,001 pF stabil ist. Selbstverständlich dienen diese Werte lediglich der Darstellung und sind in keiner Weise einschränkend, da sie insbesondere von den Abmessungen der Leitung abhängen.
Fig. 3 zeigt die Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Gasdurchflusses einer Leitung 1. Die Vorrichtung ist um eine Steuerungs- und Verarbeitungszentraleinheit 20 herum aufgebaut, die verschiedene Daten von der Leitung 1 empfängt und nach Messen und ggf. Berechnung verschiedene Ergebnisse liefert und anzeigt.
Die empfangenen Daten betreffen im Prinzip vier Dinge: die Temperatur des in der Leitung 1 strömenden Fluids, wobei diese Temperatur beispielsweise von einem Temperaturfühler 21 gemessen wird, der in dieser Leitung angeordnet ist; den Druck dieses Fluids, der mittels eines Druckfühlers 22 bestimmt wird; der Durchfluß des Fluids unter den beim Meßzeitpunkt herrschenden thermodynamischen Bedingungen, der mit einer der herkömmlichen, oben angegebenen Vorrichtungen und insbesondere mit einer Ultraschall-Durchflußmeßvorrichtung 23 bestimmt wird; und schließlich die dielektrische Konstante des in dieser Leitung 1 strömenden Gases, die mittels der Vorrichtung zur Messung des Verdichtbarkeitsfaktors erzielt wird, die den kapazitiven Meßwandler Ct und den Referenzkondensator Cref aufweist.
Mittels dieser verschiedenen Daten bestimmt die Verarbeitungs- und Steuereinheit 20 verschiedene Parameter, darunter die volumenbezogene Masse und den Verdichtbarkeitsfaktor Z und berechnet dann den Gasdurchfluß bei zuvor bestimmten thermodynamischen Bedingungen, die die so genannten Normalbedingungen sein können:
(T = 273,15 K und P = 101325 Pa)
oder auch die sogenannten Standardbedingungen:
(T = 288,15 K und P = 101325 Pa)
oder auch sonstige Referenzbedingungen, die zuvor festgelegt wurden und einer besonderen Normierung oder einem Spezialwunsch entsprechen.
Über eine Tastatur 210 der Elektronikeinheit 20 können die Informationen oder Parameter angewäglt werden, die sich ein Bediener dann bei Wartungs- oder Überprüfungsarbeiten auf einem Bildschirm 220 dieser Einheit 20 anzeigen lassen kann. Die gesamten Meß- bzw. Berechnungsergebnisse sind in numerischer Form von einem Bus 230 der Einheit 20 zur Benutzung abgreifbar.
Die Figuren 3 und 4 zeigen detaillierter den Aufbau der elektronischen Verarbeitungs- und Steuereinheit 20. Diese Einheit ist um einen Mikrosteuerbaustein 240 herum organisiert, der vorteilhafterweise aus einem herkömmlichen Mikroprozessor mit den damit verbundenen Daten- und Programmspeichern, aus Schnittstellenschaltungen 250 zur Herstellung einer Verbindung nach außen über den Bus 230 und damit Ermöglichung der Fernabfrage der verschiedenen berechneten oder gemessenen Parameter, aus einer Erfassungs- und Anzeigeeinheit 260 zur optischen Darstellung dieser Parameter ggf. für einen Bediener, und vor allem aus einem analogen Mittel 270 zur Messung der Kapazität des kapazitiven Meßwandlers Ct besteht.
Dieses analoge Mittel 270 ist, wie in Fig. 5 gezeigt, einerseits mit dem Referenzkondensator Cref und dem kapazitiven Meßwandler Ct und andererseits mit dem Mikrosteuerbaustein 240 verbunden. Mit diesen beiden Kapazitäten Ct und Cref bildet es eine Kapazitäten-Brücke, deren Gleichgewicht durch einen numerisch gesteuerten Dämpfungswiderstand X eingestellt wird. Ein erster Zweig dieser Brücke weist den zu bestimmenden Kondensator Ct auf, und ein erster Wechselsignalerzeuger 280 ist in dem gegenüberliegenden Zweig angeordnet. Ein zweiter Zweig dieser Brücke, der an den ersten angrenzt, weist parallel geschaltet den Referenzkondensator Cref und einen Kondensator Cs auf, der mit dem numerisch gesteuerten Dämpfungswiderstand X in Reihe geschaltet ist, und ein zweiter Wechselsignalerzeuger 290 mit gegenüber dem ersten entgegengesetzter Phase ist in dem gegenüberliegenden Zweig angeordnet. Schließlich kann mit einem synchronen Fühler 300, der an der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges angeordnet ist, die Spannung an dieser Stelle ausgewertet werden und damit der Wert der Kapazität Ct bestimmt werden, wenn diese Spannung gleich Null ist, d. h. wenn die so entstandene Brücke im Gleichgewicht ist. Dieses Gleichgewicht wird durch die von dem Mikrosteuerbaustein 240 gesteuerte Änderung des Werts des Dämpfungswiderstandes X erzielt.
Im Gleichgewichtzustand ist die Spannung an den Klemmen des Fühlers gleich Null, und es ergibt sich:
Ct = Cref + X*Cs
Die Bestimmung der dielektrischen Konstante &epsi; erfolgt dann einfach durch das Verhältnis dieser Kapazität Ct zu einer Kapazität Co, die der Kapazität entspricht, die der kapazitive Meßwandler in Vakuum aufweist und die zuvor bestimmt wurde als:
&epsi; = Ct/Co
Der Verdichtbarkeitsfaktor ist durch die folgende Formel gegeben:
Z= P/ RT
wobei P der Druck ist, die volumenbezogene Molmasse, R die Molkonstante der idealen Gase, auch allgemeine Konstante der Gase, und T die absolute Temperatur ist, und wobei mit Hilfe der Clausius-Mossotti'schen Gleichung bestimmt werden kann:
wobei &epsi; die dielektrische Konstante des Gases und A&epsi;, B&epsi;, C&epsi; bekannte Koeffizienten sind, die von der Zusammensetzung des Gases und der Tempartur abhängen. (Siehe z. B. den Artikel von A.D. Buckingham, R.H. Cole und H. Sutter, erschienen in "The Journal of Chemical Physics", 1. Juni 1970, Band 52, Nr. 11, S. 5960.)
Durch Kombinieren der beiden letzten Verhältnisse ergibt sich für den gemessenen Verdichtbarkeitsfaktor:
Es ist zu bemerken, daß sich bei einer Beschränkung der Clausius-Mossotti'schen Gleichung auf die 2. Ordnung für Z der folgende Ausdruck ergeben würde:
und bei der 1. Ordnung:
Diese Näherung der 1. Ordnung ist im Rahmen eines Betriebs bei Druckwerten von weniger als 100 Bar und unter Vorbehalt einer zuvor erfolgten Bestimmung von A&epsi; vollkommen ausreichend, die Messung von &epsi;, Pm und Tm ermöglicht dann auf einfachste Weise die Berechnung von Zm unter den Bedingungen der Gaszirkulation. Da diese Zirkulationsbedingungen bei der Benutzung in nicht vernachlässigbarer Weise variieren, müssen zur Förderung der Transaktionen zwischen Verkäufern und Käufern sowie zur Berücksichtigung der oben genannten unterschiedlichen Referenzbedingungen diese Messungen auf diese thermodynamischen Referenzbedingungen gebracht werden, und zwar durch Anwendung des folgenden Korrekturkoeffizienten:
K = (Pm/Po)(Zo/Zm)(To/Tm),
wobei
Tm die unter den Gaszirkulationsbedingungen mit dem Temperaturfühler 21 gemessene Temperatur ist,
Pm der unter den Gaszirkulationsbedingungen mit dem Druckfühler 22 gemessene Druck ist,
Zm der unter den Gaszirkulationsbedingungen nach den Messungen von &epsi;, Tm und Pm berechnete Verdichtbarkeitsfaktor ist,
To, Po Temperatur und Druck unter Referenzbedingungen sind, und Zo 1.
Der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Gasdurchflusses abgegebene Durchfluß ist also gleich: Q=KQm, wobei Qm der Durchfluß ist, der von der Durchflußmessvorrichtung 23 unter den Gaszirkulationsbedingungen gemessen wurde
Es muß bemerkt werden, daß durch Verwendung des Mikrosteuerbausteins 240 in der elektronischen Einheit 20 ein Zugriff auf alle Parameter ermöglicht wird, die in die Bestimmung des Gasdurchflusses eingehen. So kann sich der Bediener nicht nur diesen Durchfluß Q, sondern auch den Verdichtbarkeitsfaktor Z, die volumenbezogene Masse , die Kapazität Ct oder die Differenz zwischen dieser Kapazität Ct und der Referenzkapazität Cref anzeigen lassen. Ferner kann er sich je nach der verwendeten Meßvorrichtung auch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder auch die Gasmenge anzeigen lassen. Die verschiedenen Bestimmungen unterstellen selbstverständlich das zuvor erfolgte Eingeben der verschiedenen erforderlichen Konstanten, insbesondere für die Berechnung von Z.
Es muß bemerkt werden, daß die Anordnung des kapazitiven Meßwandlers Ct direkt in der Leitung 1 nicht unbedingt notwendig ist, es ist aufgrund der in dem beförderten Gas vorhandenen Wirbel sogar vorzuziehen, ihn unter Beibehaltung der gleichen thermodynamischen Bedingungen von dem Gasstrom zu trennen. Die Figuren 6a bis 6c zeigen verschiedene mögliche Positionen für die Installation dieses Meßwandlers.
In Fig. 6a ist der Meßwandler in der Leitung 1, also unter der gleichen Temperatur T angeordnet, aber vom Gasstrom getrennt, indem er durch eine parallele Rohrleitung 25 gespeist wird, die vorher aus der Leitung 1 gespeist wird. Auf diese Weise wird ein Wirbelsystem vermieden, wodurch sich die Qualität der Messungen verbessert.
Ein Filter 26 und Absperrhähne R1 bis R4, die an der Rohrleitung 25 vor bzw. hinter dem Meßwandler angeordnet sind, vervollständigen diese Vorrichtung. Um diese Störungen noch weiter zu verringern, kann der Aufbau von Fig. 6b angewendet werden, bei dem der Meßwandler sich in einem Behälter 27 befindet, der in der Leitung 1 angeordnet ist. Dieser Behälter wird durch die Rohrleitung 25 mit Gas versorgt. Indem die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Anordnung des Meßwandlers in diesem Behälter verringert wird, können mit dieser Vorrichtung die dem in dieser Leitung strömenden Gas eigenen Verwirbelungen besser beseitigt werden.
Sowohl der eine wie auch der andere dieser beiden Aufbauten machen es jedoch erforderlich, die Leitung zu öffnen, um den Meßwandler einzubauen. Aus diesem Grund kann auch der Aufbau von Fig. 6c verwendet werden, bei dem der Meßwandler abzweigend außerhalb der Leitung 1 angeordnet ist. Um bei diesem Aufbau die gleichen thermodynamischen Bedingungen beizubehalten wie die des in der Leitung strömenden Gases, insbesondere die gleiche Temperatur, muß die Abzweigungsschleife, die den Meßwandler, die Rohrleitung 25 und die verschiedenen Filter und Absperrhähne enthält, in einen Isoliermantel 28 eingeschlossen werden, der auch einen Teil der Leitung 1 abdeckt. Dieser Mantel 28 gewährleistet auf diese Weise die Wärmeisolierung und ermöglicht die Entwicklung des kapazitiven Meßwandlers Ct unter thermodynamischen Bedingungen, die identisch mit der des in der Leitung 1 strömenden Gases sind.
Die Wahl unter diesen Aufbauten oder weiterer Äquivalente, die der Fachmann ausführen kann, geschieht im wesentlichen in Abhängigkeit insbesondere von der Zugangsmöglichkeit zur Leitung oder von der Art der Umgebung vor Ort, die mehroder weniger aggressiv ist. Die Einfachheit dieser Aufbauten, die Möglichkeit ihrer Verkleinerung bedeuten einen entscheidenden Vorteil dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung oder Meßsensor, insbesondere im Rahmen einer Verwendung bei hohem Druck.
Schließlich wird durch die Benützung der dielektrischen Konstante des Gases, die die Ausführung eines vollkommen elektronischen Zählers ermöglicht, die Fernsteuerung von damit ausgerüsteten Anlagen, insbesondere zur Beförderung von Naturgas, erleichtert.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids, bestehend aus den folgenden Schritten:

a) Messen der Gastemperatur Tm und des Gasdrucks Pm unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases mittels Temperaturfühler (21) und Druckfühler (22), die in der Leitung (1) angeordnet sind,

b) Bestimmen des Gasdurchflusses Qm unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases mittels einer Durchflußmeßvorrichtung (23),

dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden Schritte aufweist:

c) Bestimmen der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases durch das Messen der Kapazität eines kapazitiven Meßwandlers (Ct) durch den dieses Gas strömt, wobei die Kapazität dieses Elements (Co) bei Vakuum zuvor durch eine Vakuummessung als Eichgröße festgestellt wurde,

d) Berechnen des Verdichtbarkeitsfaktors Zm durch eine Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) aus der Bestimmung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases und der Messungen der Temperatur Tm und des Drucks Pm mittels der folgenden Gleichung:

wobei R die Konstante der idealen Gase und A&epsi;, B&epsi; und C&epsi; Koeffizienten sind, die in bestimmter Weise von der Zusammensetzung des Gases abhängen,

e) Berechnen des Gasdurchflusses Q in der Leitung (1), unter Setzung von vorbestimmten Referenzbedingungen bezüglich der Temperatur To, des Drucks Po und des Verdichtbarkeitsfaktors Zo durch die Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) mittels der folgenden Gleichung:

2. Verfahren zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids, bestehend aus den folgenden Schritten:

b) Bestimmen des Gasdurchflusses Qm unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases mittels einer Durchflußmeßvorrichtung (23)

dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden Schritte aufweist:

wobei R die Konstante der idealen Gase und A&epsi; und B&epsi; Koeffizienten sind, die in bestimmter Weise von der Zusammensetzung des Gases abhängen,

3. Verfahren zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids, bestehend aus den folgenden Schritten:

dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden Schritte aufweist:

c) Bestimmen der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases unter den Bedingungen des Zirkulierens dieses Gases durch das Messen der Kapazität eines kapazitiven Meßwandlers (Ct), durch den dieses Gas strömt, wobei die Kapazität dieses Elements (Co) bei Vakuum zuvor durch eine Vakuummessung als Eichgröße festgestellt wurde,

d) Berechnen des Verdichtbarkeitsfaktors Zm durch elne Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) aus der Bestimmung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases und der Messungen der Temperatur Tm und des Drucks Pm mittels der folgenden Gleichung:

wobei R die Konstante der idealen Gase und A&epsi; ein Koeffizient ist, der in bestimmter Weise von der Zusammensetzung des Gases abhängt,

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Meßwandler (Ct) aus einem zylindrischen Kondensator besteht, um die Wirbelbildung beim Strömen des Gases in der Leitung (1) auf ein Minimum zu reduzieren.

5. Vorrichtung zur Messung des Gasdurchflusses eines in einer Leitung fließenden Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) besteht, die einerseits mit einer Durchflußmeßvorrichtung (23) verbunden ist, die eine Information bezüglich des Gasdurchflusses Qm unter Temperaturbedlngungen To und Druckbedingungen Po abgibt, welche durch Temperaturfühler (21) und Druckfühler (22), die in dieser Leitung (1) angeordnet slnd, bestimmt werden, und andererseits mit einer Einheit zur Bestimmung des Verdichtbarkeitsfaktors Zm (10 bis 18) verbunden ist, die insbesondere aus Mitteln zur Messung der dielektrischen Konstante &epsi; des in dieser Leitung strömenden Gases verbunden ist, um den Wert des Gasdurchflusses Q unter Setzung von vorbestimmten Referenzbedingungen bezüglich der Temperatur To, des Drucks Po und des Verdichtbarkeitsfaktors Zo zu bestimmen.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Messung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases durch einen kapazitiven Meßwandler (Ct) erzielt wird, der unter die thermodynamischen Bedingungen der Gaszirkulation cesetzt wird.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kapazitive Meßwandler (Ct) aus einem zyllndrischen Kondensator besteht, um die Wirbelbildung beim Strömen des Gases in der Leitung (I) auf ein Minimum zu reduzieren.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verarbeitungs- und Steuereinheit aus einem analogen Mittel (270) zur Auswertung der dielektrischen Konstante &epsi; des Gases, aus einer Mikrosteuerschaltung (240) zur Bestimmung der charakteristischen Parameter des Gases auf Basis dieser Auswertung und der Gasdruck-, Gastemperatur- und Gasdurchflußmessungen, aus einer Erfassungs- und Anzeigeeinheit (260) zur optischen Darstellung dieser Parameter auf Wunsch eines Bedieners, sowie aus Schnittstellenschaltungen (250) zur Fernübertragung dieser Parameter besteht.

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte analoge Mittel aus einer Brückenschaltung besteht, in der der kapazitive Meßwandler (Ct) einen ersten Zwelg bildet und bei der ein zweiter Zweig, der an den ersten angrenzt, einen Referenzkondensator (Cref) aufweist, der parallel zu einem mit einem numerisch gesteuerten Dämpfungswiderstand (X) in Reihe geschalteten Kondensator (Cs) angeordnet ist, wobei die dem ersten und dem zweiten Zweig gegenüberliegenden Zweige jeweils mit einem Wechselsignalerzeuger mit entgegengesetzten Phasen ausgestattet sind, und daß das Gleichgewicht hergestellt wird, wenn ein Fühler (300), der an der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges angeordnet ist, nach einer Änderung des Werts des von der Verarbeitungs- und Steuereinheit (20) gesteuerten Dämpfungswiderstandes (X) eine Null-Spannung abgibt.

10. Meßvorrichtung nach einem aer Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Durchflußmeßvorrichtung aus einem Ultraschall-Durchflußzähler besteht.

11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kapazitive Meßwandler abzweigend außerhalb der Leitung (1) in dem Kreislauf einer Rohrleltung (25) angeordnet ist, die vor diesem kapazitiven Meßwandler (Ct) mit dem in dieser Leitung strömenden Gas gespeist wird, wobei ein Isoliermantel (28) die Wärmeisolierung der Anordnung gewährleistet, um diesen kapazitiven Meßwandler unter thermodynamische Bedingungen zu setzen, insbesondere Temperaturbedingungen, die identisch mit denen des Gases sind.

12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kapazitive Meßwandler abzweigend innerhalb der Leitung (1) angeordnet ist und von aem in dieser Leitung strömenden Gas durchflossen wird, welches durch eine Rohrleitung (25) zugeführt wird, die vor diesem kapazitiven Meßwandler (Ct) gespeist wird.

13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte kapazitive Meßwandler sich in einem Behälter (27) befindet, der in der Leitung (1) angeordnet ist und mit dem in dieser Leltung strömenden Gas gefüllt ist, welches durch eine Rohrleitung (25) zugeführt wird, die vor diesem kapazitiven Meßwandler (Ct) gespeist wird.