Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Heizwertes eines Gases.

Das Gas kann ein Kraftstoff bzw. Kraftstoffgas, oder beispielsweise ein natürliches Gas sein. Das natürliche Gas kann Methan sein oder kann ferner Stickstoff und/oder Kohlendioxid umfassen. Zusätzlich zu Methan kann das natürliche Gas zumindest ein anderes Kohlenwasserstoffgas bzw. kohlenwasserstoffhaltiges Gas umfassen, wie beispielsweise Ethan, Propan, Butan, Pentan oder Hexan.

Eine Vorrichtung zum Messen des Heizwertes eines Gases unter Verwendung von Ultraschall ist in der Druckschrift GB 2 312 508 A offenbart. Die Druckschrift offenbart die Durchführung einer Messung einer ersten thermischen Leitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur, wobei daraufhin unter Verwendung der ersten thermischen Leitfähigkeit zusammen mit der Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Gas während eines Vorgangs eine Messung vorgenommen wird, wobei der Heizwert des Gases entsprechend der Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Gas und der ersten thermischen Leitfähigkeit erzeugt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Messung des Heizwertes eines Gases bereitgestellt, welches die Durchführung einer Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Gas umfaßt, und wobei die Schallgeschwindigkeit in einem Vorgang verwendet wird, welcher den Heizwert entsprechend der Schallgeschwindigkeit erzeugt, wobei das Verfahren ebenso die Durchführung einer Messung einer ersten thermischen Leitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur, die Durchführung einer Messung einer zweiten thermischen Leitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur, welche sich von der ersten Temperatur unterscheidet, und die Verwendung der ersten und zweiten thermischen Leitfähigkeit zusammen mit der Schallgeschwindigkeit in einem Vorgang umfaßt, welcher den Heizwert des Gases entsprechend der Schallgeschwindigkeit und der ersten und zweiten thermischen Leitfähigkeit erzeugt bzw. bereitstellt.

Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, um den Heizwert eines Gases zu messen, welche Einrichtungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Gas; Einrichtungen zur Messung einer ersten thermischen Leitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur; Einrichtungen zur Messung einer zweiten thermischen Leitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur, welche sich von der ersten Temperatur unterscheidet, und Einrichtungen umfaßt, welche die Schallgeschwindigkeit und die erste und zweite thermische Leitfähigkeit in einem Vorgang verwenden, wobei der Heizwert des Gases entsprechend der Schallgeschwindigkeit und der ersten und zweiten thermischen Leitfähigkeit erzeugt bzw. bereitgestellt wird, und wobei der Heizwert durch ein Vorgehen mit der folgenden Formel erhalten wird: CV = a·ThC_H + b·ThC_L + c·SoS + d·T_a + e·T_a² + f, wobei CV der Heizwert des Gases ist;

wobei ThC_H die erste thermische Leitfähigkeit des Gases bei der ersten Temperatur ist;

wobei ThC_L die zweite thermische Leitfähigkeit des Gases bei der zweiten Temperatur ist, welche niedriger als die erste Temperatur ist;

wobei SoS die Schallgeschwindigkeit in dem Gas bei Umgebungstemperatur ist; und

wobei T_a die Umgebungstemperatur des Gases ist, bei welcher die thermischen Leitfähigkeiten gemessen werden, und wobei die erste und zweite Temperatur größer ist als die Umgebungstemperatur und a, b, c, d, e und f Konstanten sind.

Die Erfindung wird nun ferner rein beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 diagrammartig eine Vorrichtung darstellt, mit welcher die Erfindung durchgeführt werden kann; und

2 ein diagrammartiges Beispiel eines von vorne zugeführten Luftkraftstoffgas-Steuersystems zeigt, welches die vorliegende Erfindung verwendet.

Mit Bezug auf 1 umfaßt eine Vorrichtung 2 zur Messung des Heizwertes eines Gases eine Kammer 4, in welcher das Gas über eine Einlaßleitung 6 zugeführt wird und durch eine Auslaßleitung 8 ausströmt. Die Einlaßleitung 6 umfaßt Wärmeaustauscheinrichtungen 6a, beispielsweise eine Kupferwicklung, durch welche die Temperatur des einkommenden Gases auf einen Wert justiert werden kann, welcher im wesentlichen der gleiche ist wie die Umgebungstemperatur der externen Atmosphäre, wobei das Gas in der Kammer 4 eine im wesentlichen einheitliche Temperatur aufweist. Die Kammer 4 umfaßt einen Ultraschall-Ausgabewandler 10 und einen Ultraschall-Empfängerwandler 12. Eine elektronische Steuereinrichtung 14 mit Computereinrichtungen ist mit einem Signalgenerator 16 verbunden, so daß unter Steuerung der Steuereinrichtung 14 der Signalgenerator den Wandler 10 dazu veranlaßt, erforderliche Ultraschallsignale 18 auszusenden. Die Ultraschallsignale 18 werden durch den Wandler 12 aufgenommen und deren Aufnahmesignale werden zu der Steuereinrichtung 14 über eine Leitung 20 zugeführt. Die Zeit, welche die Ultraschallsignale zwischen den Wandlern 10 und 12 zurücklegen, wird durch die Steuereinrichtung 14 gemessen, welche derart angeordnet ist, daß die Schallgeschwindigkeit bzw. SoS (speed of sound) berechnet wird, welche die Schallgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde darstellt.

Wenn es gewünscht wird, können einige andere Einrichtungen zur Messung der Schallgeschwindigkeit in dem Gas verwendet werden, wie beispielsweise in der Druckschrift US 4,938,066 offenbart. Jedoch ist die bevorzugte Methode diejenige, welche in den folgenden UK Patentbeschreibungen offenbart ist: GB 2 338 784 B; GB 2 338 852 B und GB 2 338 783 B. Diese Anmeldungen offenbaren die Verwendungen eines Resonators, um die Schallgeschwindigkeit eines Gases innerhalb des Resonators zu messen. Ein elektronischer Antriebsschaltkreis, welcher in Form eines Mikroprozessors aufgebaut sein kann oder einen solchen umfassen kann, ist derart angeordnet, daß ein sinusförmiges Signal über einen geeigneten Frequenzbereich erzeugt wird, um einen Lautsprecher anzutreiben. Der Lautsprecher ist derart angeordnet, daß ein akustisches Signal zum Inneren eines Resonators aufgebracht wird. Ein Mikrofon ist angeordnet, um die Stärke des akustischen Signals innerhalb des Resonators zu erfassen. Das Signal von dem Mikrofon wird gefiltert und durch einen geeigneten elektronischen Schaltkreis verstärkt, und wobei eine Berechnungseinrichtung die Resonanzfrequenz bestimmt, welche dem Gas innerhalb des Resonators zuzuordnen ist, um dessen Schallgeschwindigkeit zu bestimmen.

Ein Temperatursensor 22 in der Kammer 4 versorgt die Steuereinrichtung 14 mit Daten über die Leitung 24, welche den Wert der Umgebungstemperatur repräsentieren.

Der Umgebungstemperatursensor 22 kann ein Teil eines thermischen Leitfähigkeitsensors 28 sein, welcher Beobachtungseinrichtungen für die thermische Leitfähigkeit umfaßt. Der thermische Leitfähigkeitssensor 28 kann ein Mikrosensor in Miniaturform für die thermische Leitfähigkeit gemäß dem Modell TCS208 sein, welches von der Hartmann & Braun AG in Frankfurt am Main, Deutschland, erhältlich ist.

Die Beobachtungseinrichtung 30 für die thermische Leitfähigkeit, um insbesondere die thermische Leitfähigkeit des Gases zu erfassen bzw. zu überwachen, umfaßt Heizeinrichtungen, welche gemäß den Signalen der Leitung 32 von der Steuereinrichtung 14 bei mehr als einer gewünschten ausgewählten Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur betrieben werden können, wobei diese von dem Sensor 22 gemessen wird, und wobei ein Signal, welches für die thermische Leitfähigkeit des Gases bei der gewünschten Temperatur repräsentativ ist, zu der Steuereinrichtung über die Leitung 34 gesendet wird.

Die Steuereinrichtung 14 ist angeordnet, um den thermischen Leitfähigkeitssensor 28 dazu zu veranlassen, daß die thermische Leitfähigkeit des Gases bei zwei unterschiedlichen gewünschten Temperaturen T_H und T_L gemessen wird, wobei T_H eine gewünschte vorbestimmte Anzahl von Temperaturgraden t₁ oberhalb der Umgebungstemperatur ist, welche von dem Sensor 22 gemessen wird, und wobei T_L eine vorbestimmte gewünschte Anzahl von Temperaturgraden t₂ oberhalb der Umgebungstemperatur ist; wobei die Zahl t₁ größer ist als die Zahl t₂.

Unter Verwendung der beobachteten oder gemessenen Werte der Schallgeschwindigkeit in dem Gas, der thermischen Leitfähigkeit des Gases bei der Temperatur T_H und T_L und des gemessenen Wertes der Umgebungstemperatur des Gases mittels des Sensors 22 berechnet die Steuereinrichtung 14 den Heizwert des Gases unter Verwendung der Formel CV = a·ThC_H + b·ThC_L + c·SoS + d·T_a + e·T_a² + fI in welcher CV der Heizwert ist;

ThC_H die thermische Leitfähigkeit des Gases bei der Temperatur t_H ist;

ThC_L die thermische Leitfähigkeit des Gases bei der Temperatur t_L ist;

SoS die Schallgeschwindigkeit in dem Gas bei Umgebungstemperatur ist;

T_a die Umgebungstemperatur des Gases ist, welche von dem Sensor 22 gemessen wird, und a, b, c, d, e und f entsprechende Konstanten sind.

Das in Frage stehende Gas kann eine Mischung aus zwei oder mehr Gasen sein, wobei die Zusammensetzung der Mischung variable Anteile aufweisen kann. Beispielsweise kann das in Frage stehende Gas ein Kraftstoffgas sein. Ein derartiges Kraftstoffgas kann ein natürliches Gas sein. Das natürliche Gas kann Methan und zumindest ein weiteres Gas aus Ethan, Propan, Butan, Pentan oder Hexan umfassen, und kann ferner Stickstoff und/oder Kohlendioxid aufweisen.

Um die Konstanten a, b, c, d, e und f in der Gleichung I abzuleiten bzw. zu bestimmen, kann das mathematische Verfahren, welches als Regressionsanalyse bekannt ist, mit Bezug auf die Daten verwendet werden, welche in Verbindung mit dem in Frage stehenden Gas gesammelt worden sind. Die Anteile der Gase in der Mischung können derart variieren, daß eine Anzahl von unterschiedlichen Proben gebildet wird. Man erhält den Heizwert CV der Probe unter Verwendung von chromatographischen Verfahren, wobei die Umgebungstemperatur T_a der Probe gemessen wird und die thermischen Aktivitäten ThC_H und ThC_L der Probe gemessen werden. Dies wird beispielsweise vorgenommen, um wiederum zumindest einen Satz von gemessenen Werten zu erhalten, welche jeder Probe entsprechen. Die Sätze von Werten werden in die Gleichung I eingegeben und die am besten passenden Werte für die Konstanten a, b, c, d, e und f werden abgeleitet. Für den Fall eines natürlichen Gases, welches bei einer Anzahl von bestimmten Stellen im Vereinigten Königreich vorkommt, werden Regressionsanalysen bei Proben von unterschiedlichen Stellen vorgenommen und ebenso bei äquivalenten Gasgruppen vorgenommen, welche künstliche Replika im Labor von Mischungen von Methan und Ethan, Methan und Butan, Methan und Pentan sowie Methan und Hexan sind, wobei diese Mischungen im Labor von unterschiedlichen Mischungen von Methan und Propan repräsentiert werden.

Wenn die Gleichung I auf ein natürliches Gas angewendet worden ist und auf äquivalente Gasgruppen angewendet worden ist, und wobei die Regessionsanalyse verwendet worden ist, erhält man die folgenden Werte für die Konstanten, nämlich:

a = 36,25649,

b = –45,5768,

c = 0,047029,

d = 0,091067,

e = 0,00074, und

f = 24,18731, wenn

CV der Heizwert des Gases in MJ/m³_st ist (Megajoule/Standardkubikmeter);

ThC_H die thermische Leitfähigkeit des Gases in W/m·K (wobei K in Grad Kelvin gemessen wird) bei einer Temperatur von im wesentlichen 70°C oberhalb der Umgebungstemperatur T_a ist;

ThC_L die thermische Leitfähigkeit des Gases in W/m·K bei einer Temperatur T_L ist, welche im wesentlichen 50°C oberhalb der Umgebungstemperatur T_a ist;

SoS die Schallgeschwindigkeit in dem Gas in m/s ist und wobei T_a die Umgebungstemperatur in dem Gas in °C ist.

Bei der vorstehenden Anwendung der Gleichung I für natürliches Gas beträgt der Wert von t₁ im wesentlichen 70°C und der Wert von t₂ im wesentlichen 50°C. Somit beträgt der Unterschied zwischen den Temperaturen t_H und t_L, bei welchen die thermischen Leitfähigkeiten ThC_H und ThC_L gemessen werden, im wesentlichen 20°C [(T_a + 70) – (T_a + 50) = 20].

Der Wert des Heizwertes CV des Gases, welcher durch die Steuereinrichtung 14 berechnet wird, kann visuell angezeigt werden und/oder ausgegeben werden oder in einer anderen Art und Weise durch Aufnahmeeinrichtungen 36 gemäß den Signalen der Steuereinrichtung aufgenommen werden.

Durch jegliche geeignete bekannte Technik an sich kann die Steuereinrichtung 14 mit Informationen versorgt werden, welche die relative Dichte des Gases repräsentieren, oder die Steuereinrichtung kann mit Informationen versehen werden, welche es dieser ermöglichen, die relative Dichte RD des Gases zu berechnen. Die Steuereinrichtung 14 kann den Wert des Wobbe-Index WI des Gases berechnen oder auf eine andere Art und Weise erhalten, wobei die Formel verwendet wird:

Ein V erfahren zur Messung der relativen Dichte wird in der anhängigen britischen Patentanmeldung des Anmelders GB 9715448.8 beschrieben, welche am 22. Juli 1979 eingereicht worden ist.

Wenn Kraftstoffgas in einem Vorgang bzw. Prozeß verbrannt wird (beispielsweise in einem Ofen, Brennofen, Kompressor, Motor usw.), wird eine Form von Steuersystem verwendet, um das Verhältnis von Sauerstoff (in diesem Fall in Form von Luft) zu Kraftstoffgas festzulegen, um eine optimale Verbrennung sicherzustellen. Eine Zuteilung der Menge von zusätzlicher Luft wird vorgenommen, um Variationen der Komposition des Kraftstoffgases teilweise Rechnung zu tragen. Diese Zuteilung bedeutet, daß der Vorgang weniger effizient verläuft, als dies passieren könnte, da die zusätzliche Luft erhitzt wird und ventiliert werden muß.

Hierdurch kann eine Messung des Heizwertes oder Wobbe-Index, welcher die Qualität des Kraftstoffgases anzeigt und gemäß der vorliegenden Erfindung ermittelt werden kann, in einer vorwärts zugeführten Steuerungsstrategie verwendet werden, um die Genauigkeit der erhältlichen Steuerung zu verbessern und eine bessere Effizienz zu erzielen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung einer derartigen Steuerung ist in 2 gezeigt. Kraftstoffgas wird über eine Leitung 40, wie beispielsweise ein Rohr, zu einem gasbefeuerten Prozeß 41 zugeführt, wie beispielsweise einem Ofen, einem Brennofen, einem Kompressor oder einem Motor, und wobei Sauerstoff in Form von Luft dem Vorgang 41 über eine weitere Leitung 42 zugefügt wird. Jegliche geeignete Vorrichtung 43, welche in Form von einer oder mehreren Proben vorgesehen sein kann, die temporär in die Leitung 40 einsetzbar sind, oder als eine oder mehrere permanente Befestigungen vorgesehen sein können, ist derart angeordnet, um die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffgases zu messen, welches durch die Leitung 40 strömt, wobei die thermischen Leitfähigkeiten des Gases ThC_H, ThC_L bei zwei Temperaturen t_H und t_L und der Umgebungstemperatur des Gases T_a gemessen werden. Die Schallgeschwindigkeit des Kraftstoffgases SoS, die thermischen Leitfähigkeiten ThC_H, ThC_L sowie die Umgebungstemperatur des Gases T_a werden durch die Vorrichtung 43 gemessen und über eine Verbindung 44 zu einer Steuereinrichtung 45 zugeführt, welche ein Mikroprozessor oder beispielsweise ein Computer sein kann. Die Steuereinrichtung 45 bestimmt den Heizwert des Kraftstoffgases aus den empfangenen Messungen von der Vorrichtung 43, wie vorstehend erläutert. Wenn eine Messung der Gasqualität vorgenommen worden ist, ist die Steuereinrichtung dazu fähig, den festgelegten Punkt des Kraftstoffgas-Luft-Verhältnisses unter Verwendung eines Steuersystems 46, 47 für das Verhältnis von Sauerstoff zu Kraftstoffgas zu justieren, um eine bessere Effizienz zu erzielen. In diesem Fall umfaßt das Steuersystem für das Verhältnis Kraftstoffgas zu Sauerstoff zwei variable Öffnungsventile 46, 47, wobei jeweils eines in dem Kraftstoffgas bzw. Luftleitungen 40, 42 vorgesehen ist und beide durch die Steuereinrichtung 45 über die Verbindungen 48, 49 gesteuert werden. Alternativ kann das Steuersystem für das Verhältnis Sauerstoff zu Kraftstoffgas ein variables Öffnungsventil an lediglich einer der Leitungen 40, 42 aufweisen.