NL2013587B1

NL2013587B1 - Werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium, alsmede systeem daarvoor.

Info

Publication number: NL2013587B1
Application number: NL2013587A
Authority: NL
Inventors: Conrad Lötters Joost; Jan Van Der Wouden Egbert; Simon Josef Lammerink Theodorus; John Wiegerink Remco; Groenesteijn Jarno; Sparreboom Wouter
Original assignee: Berkin Bv
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-10-03
Also published as: WO2016056902A1; KR20170090414A; CN107209163A; EP3204765A1; JP2017535766A; US20170241966A1; RU2017112766A3; RU2017112766A

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een systeem voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium omvattende een bekende veelheid N van bekende componenten. De werkwijze omvat de stappen van het bepalen van ten minste N-1 parameters van een stromend gasvormig medium. De ten minste N-1 parameters zijn gekozen uit de groep van grootheden omvattende massastroom, dichtheid, viscositeit, warmtecapaciteit. Voor elk van de bekende N componenten worden ten minste N-1 referentiewaarden voor elk van de bepaalde N-1 grootheden verschaft. De fractie van elk van de bekende componenten van het toegevoerde gasvormige medium wordt bepaald door middel van het oplossen van ten minste N vergelijkingen. De N vergelijkingen omvatten N-1 vergelijkingen die elke bepaalde parameter beschrijven als een functie van de fractie en de referentiewaarden, alsmede een vergelijking die de som van de fracties gelijk stelt aan 100%.

Description

Korte aanduiding: Werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium, alsmede systeem daarvoor.

Beschrijving

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium. De uitvinding heeft verder betrekking op een systeem voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

In veel technologische gebieden, is kennis van de samenstelling van een stromend gasvormig medium belangrijk. Dit is bijvoorbeeld het geval in de chemische industrie, of bij de productie van medicijnen, of bij het samenstellen van een gewenst mengsel van gassen voor medische doeleinden.

In medische infusiepompen, vooral in neonatologie, is het bijvoorbeeld essentieel om zowel de stroomsnelheid van het medium als de samenstelling te kennen, bijvoorbeeld wanneer een pasgeboren kind zowel de juiste, als de juiste hoeveelheid geneesmiddelen en/of nutriënten moet krijgen. Een moeilijkheid hierbij is dat de debieten zeer klein zijn, waardoor het moeilijk is om de gewenste nauwkeurigheid van de metingen te verkrijgen.

Maar ook bij aardgas is het belangrijk om de samenstelling daarvan te kennen, bijvoorbeeld om de energie-inhoud daarvan te kunnen bepalen. Conventionele inrichtingen voor het bepalen van de energie-inhoud van gasvormige brandstoffen, zoals een Wobbe-index meter of een gaschromatograaf, zijn relatief groot, en duur.

De verwachting is dat de samenstelling en de kwaliteit van het aardgas in het nationale gasnet enorm zal variëren als gevolg van het mengen van aardgas uit verschillende landen en de periodieke variaties die daarbij zullen optreden. Kwaliteitscontrole en -waarborging is daarbij van groot belang. Dit geldt eens te meer, aangezien het gewenst is om ook biogas te introduceren in de nationale gasnetten.

Uit bovenstaande blijkt dat er in veel technologische gebieden een behoefte is aan een snelle, goedkope en betrouwbare manier voor het bepalen van de samenstelling van een gasvormig medium. Het is derhalve een doel van de onderhavige uitvinding om een werkwijze te verschaffen waarmee de (volume-jfracties van een stromend gasvormig systeem te bepalen zijn, en waarmee in het bijzonder, met het oog op veiligheid- en kwaliteitsbewaking, op continue wijze (realtime) een bepaling van de fracties mogelijk is.

Hiertoe verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze die gedefinieerd is volgens conclusie 1. De werkwijze voor het bepalen van de fracties, in het bijzonder de volumefracties, volgens de onderhavige uitvinding omvat de stap van het verschaffen van het stromende gasvormige medium waarvan de samenstelling bepaald dient te worden. Het stromend gasvormig medium bestaat ten minste in hoofdzaak uit een bekende veelheid N van bekende componenten. Met componenten worden in ieder geval zuivere of pure fluïda bedoeld, zoals bijvoorbeeld water, waterstof, zuurstof, koolstofdioxide, stikstof, en alkanen zoals methaan, ethaan, propaan, etc.

Volgens de werkwijze worden ten minste N-1 parameters van het toegevoerde gasvormige medium bepaald. In een uitvoeringsvorm, bijvoorbeeld, zijn een of meer van de N-1 parameters gekozen uit de groep van grootheden omvattende massastroom, dichtheid, viscositeit, en warmtecapaciteit. Andere parameters zijn uiteraard denkbaar. De parameters kunnen daarbij rechtstreeks gemeten worden, of anderszins uit metingen worden afgeleid.

Voor elk van de N bekende componenten worden ten minste N-1 referentiewaarden voor elk van de bepaalde N-1 grootheden verschaft. Met andere woorden, voor elk van de bekende componenten van het gasvormige medium wordt een referentiewaarde verschaft. Wanneer bijvoorbeeld de dichtheid van een mengsel bestaande uit methaan, koolstofdioxide en stikstof bepaald of gemeten wordt, dan wordt de dichtheid van respectievelijk methaan, koolstofdioxide en stikstof als referentiewaarde verschaft. Wanneer aanvullende parameters gemeten worden, zoals bijvoorbeeld de viscositeit, dan wordt voor elke component een referentiewaarde voor de bepaalde grootheid, in dit geval de viscositeit, verschaft.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding omvat de stap van het bepalen van de fractie van elk van de bekende componenten van het toegevoerde gasvormige medium door middel van het oplossen van ten minste N vergelijkingen, de vergelijkingen omvattende: o ten minste N-1 vergelijkingen die elke bepaalde parameter beschrijven als een functie van de fractie van elk van de bekende componenten van het medium, alsmede als een functie van de verschafte referentiewaarden van elk van de bekende componenten van het gasvormige medium, en o ten minste een vergelijking die de som van de fractie van elk van de bekende componenten ten minste in hoofdzaak gelijk stelt aan 100%.

Met bovenstaande werkwijze is op een relatief eenvoudige en snelle wijze de samenstelling van een stromend gas te bepalen. Door de vergelijkingen op te lossen volgens de werkwijze, kan de samenstelling vrijwel instantaan bepaald worden. Dit maakt in het bijzonder een continue monitoring (real-time) van het stromende gasvormige medium mogelijk. Daarmee is het doel van de onderhavige uitvinding bereikt.

Voordelige uitvoeringsvormen van de werkwijze zijn gedefinieerd in de afhankelijke conclusies 2 tot en met 10. De voordelen van deze uitvoeringsvormen zullen navolgend worden toegelicht.

In een uitvoeringsvorm, omvat de werkwijze de stap van het in hoofdzaak continu verschaffen van het stromende gasvormige medium, alsmede het in hoofdzaak continu bepalen van de ten minste N-1 parameters. Hiermee kan de werkwijze in hoofdzaak continu worden uitgevoerd voor het in hoofdzaak real-time bepalen van de fracties van het stromende gasvormige medium. Daarbij worden de stappen van het bepalen van de parameters en het bepalen van de fracties van de componenten ten minste een maal herhaald, zodat de samenstelling van het continu stromende gasvormige medium op twee verschillende tijdsmomenten bekend is. Dit maakt het mogelijk om de samenstelling in de tijd te bekijken, waarmee de kwaliteit van het gas bewaakt kan worden. Dit vergroot het veiligheidsaspect, in het bijzonder bij medische toepassingen.

Door bepalen van de N-1 parameters en het oplossen van de N vergelijkingen, geeft de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding zeer snel resultaten. In vergelijking tot andere bekende werkwijzen, zoals bijvoorbeeld gaschromatografie, waar een resultaat van de meting bekend wordt na ongeveer 3 minuten, is bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding een zeer snel resultaat, in de orde van 0 tot 60 seconden, in het bijzonder van 0 tot 15 seconden, meer in het bijzonder van 0 tot 5 seconden, mogelijk. Daarbij kan het gas volgens de onderhavige uitvinding verschaft worden zonder dat er een voorbewerking nodig is (bijvoorbeeld het scheiden van componenten, en of toevoegen van een draaggas zoals bij chromatografie). Dit vrij zijn van voorbewerking, en de snelheid die met de werkwijze bereikt kan worden, staat toe dat de werkwijze continue / semi-continue kan worden toegepast. Dit is bijzonder voordelig, in situaties waarin monitoring van een gas noodzakelijk of gewenst is.

De vergelijkingen worden in een uitvoeringsvorm beschreven in een matrixvergelijking, welke navolgend wordt opgelost. Een efficiënte, snelle en betrouwbare manier om een dergelijke matrixvergelijking op te lossen wordt gevormd door een zogeheten kleinste kwadraten methode, welke op zich bekend is. Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van een verwerkingseenheid voor het oplossen van de matrixvergelijking om de fracties van de componenten te bepalen.

In een uitvoeringsvorm, wordt juist een niet-gewenste component in het gasvormig medium bewaakt. Zo kan bijvoorbeeld de aanwezigheid van zuurstof of waterstof in een gasvormig medium gedetecteerd worden. In dat geval wordt gesteld dat het gasvormig medium die bekende component omvat, ook al is de initiële fractie van die component gelijk aan nul. De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding omvat dus uitdrukkelijk ook die situaties, waarin een van de bekende componenten nog niet aanwezig is in het gas, maar de verwachting er is dat die bekende component in de toekomst aanwezig kan zijn. Met andere woorden, de fractie van de bekende component kan gelijk zijn aan nul.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding is in het bijzonder geschikt voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium dat in hoofdzaak bestaat uit drie of vier bekende componenten, alhoewel deze in principe ook toe te passen is bij de aanwezigheid van meer dan vier componenten. Met in hoofdzaak bestaan uit drie of vier bekende componenten, wordt bedoeld dat de som van de fracties van de drie of vier bekende componenten in hoofdzaak gelijk is aan 100%. Het is denkbaar dat er een verdere bekende of onbekende component in het gas aanwezig is, welke verdere component slechts een klein deel van de totale fractie uitmaakt. Een dergelijke component kan bijvoorbeeld aanwezig zijn in concentraties die kleiner zijn dan 5%, bij voorkeur kleiner dan 2%, in het bijzonder kleiner dan 1%. De werkwijze omvat dan de stap van het in de vergelijkingen buiten beschouwing laten van deze verdere component.

Het is denkbaar dat, met name in het geval van aardgas of dergelijke gassen, een van de bekende componenten CH4, C3H8, N2, en/of C02 is. Het is verder denkbaar dat een van de bekende componenten 02 of H2 is. Andere samenstellingen met bekende componenten zijn echter ook denkbaar.

In een uitvoeringsvorm, omvat de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding de stap van het bepalen van twee parameters, in het bijzonder van de dichtheid en de warmtecapaciteit van het gasvormige medium. Het bepalen van twee parameters is geschikt voor het bepalen van de fracties van een gasvormig medium met drie bekende componenten.

De twee parameters kunnen bepaald worden met behulp van signalen van een thermische stromingssensor en een stromingssensor van het Coriolis-type.

Met behulp van de bepaalde fracties wordt in een uitvoeringsvorm van de werkwijze verder een maat voor de verbrandingswaarde van het stromende gasvormige medium bepaald.

In een verdere uitvoeringsvorm, wordt met behulp van de verbrandingswaarde verder de Wobbe-index van het gasvormige medium bepaald. De Wobbe-index, Wl, kan worden berekend volgens:

Hierbij is H (J / m3) de hoeveelheid warmte-energie die wordt voortgebracht door een volledige verbranding van een bepaald volume van het medium omvattende een gasmengsel en lucht, en Gs (-) de verhouding van massadichtheden van het gasmengsel en lucht. De samenstelling van het medium wordt door een systeem volgens de onderhavige uitvinding met hoge nauwkeurigheid bepaald, waardoor, volgens bijvoorbeeld de bovenstaande formule, op nauwkeurige wijze de Wobbe-index kan worden bepaald.

Het is verder denkbaar dat de werkwijze de stap omvat van het regelen van de massastroom van het stromende gasvormige medium, op basis van de bepaalde fracties daarvan. Daarbij is het denkbaar dat het regelen de stap omvat van het volledig tot nul reduceren van de massastroom, bijvoorbeeld bij detectie van de aanwezigheid van een ongewenste bekende component. Het is verder denkbaar dat de werkwijze de stap omvat van het afgeven van een waarschuwingssignaal, wanneer een of meer van de bepaalde fracties hoger of lager is dan een vooraf bepaalde normwaarde.

Volgens een aspect verschaft de uitvinding een systeem waarmee de werkwijze kan worden uitgevoerd, waarbij het systeem gedefinieerd is volgens conclusie13. Het systeem volgens de onderhavige uitvinding omvat een stromingsbuis met een toevoer en een afvoer, voor het respectievelijk toevoeren en afvoeren, in het bijzonder op continue wijze, van het stromende gasvormige medium waarvan de samenstelling bepaald dient te worden. Sensormiddelen zijn voorzien voor het bepalen van de ten minste N-1 parameters van het toegevoerde gasvormige medium. De sensormiddelen zijn bij voorkeur verbonden met de stromingsbuis, of maken daar deel van uit. Het systeem omvat verder een met de sensormiddelen verbonden verwerkingseenheid, met daarin opgeslagen de ten minste N-1 referentiewaarden, waarbij de verwerkingseenheid is ingericht voor het bepalen van de fractie van elk van de bekende componenten van het toegevoerde gasvormige medium door middel van het oplossen van de ten minste N vergelijkingen.

Het systeem volgens de onderhavige uitvinding is aldus ingericht voor het bepalen van een samenstelling van een gasvormig medium dat een mengsel is van N bekende componenten. De verwerkingseenheid omvat daarbij N vergelijkingen die elke grootheid behorend bij de ten minste N-1 parameters uit de groep beschrijven als een functie van fracties van de N componenten van het medium.

De verwerkingseenheid omvat allereerst de vergelijking, welke beschrijft dat de som van de fracties van de componenten van het medium gelijk is aan 100%, of ten minste in hoofdzaak gelijk is aan 100%. Daarnaast omvat de verwerkingseenheid nog N-1 vergelijkingen voor de ten minste N-1 door de sensormiddelen bepaalde grootheden als functie van de fracties van de componenten. Zo kunnen, bijvoorbeeld, de dichtheid en de viscositeit van het medium beide als lineaire functies van de componenten als vergelijkingen in de verwerkingseenheid zijn opgeslagen.

Zodanig zijn er N vergelijkingen met N onbekenden in de verwerkingseenheid aanwezig. De verwerkingseenheid is ingericht voor het oplossen van deze vergelijkingen, voor het verkrijgen van de fracties van elk van de componenten. Methoden voor het oplossen voor een aantal vergelijkingen met een overeenkomstig aantal onbekenden zijn op zich bekend.

Voordelige uitvoeringsvormen van het systeem zijn gedefinieerd in afhankelijke conclusies 14 tot en met 20. De voordelen van deze en andere uitvoeringsvormen zullen navolgend worden toegelicht.

De sensormiddelen en de verwerkingseenheid zijn in een uitvoeringsvorm ingericht om de N-1 parameters en de fracties op herhaalde wijze, in het bijzonder continu, te bepalen. Daarmee wordt bedoeld dat in hoofdzaak continu / semi-continu / intervalsgewijs de parameters en de fracties van het verschafte gas bepaald kunnen worden.

Het systeem kan bijvoorbeeld ingericht zijn om telkens de fracties te bepalen met een tussentijd die gelegen is in het bereik van 0 tot 60 seconden, in het bijzonder van 0 tot 15 seconden, meer in het bijzonder tussen 0 en 5 seconden. Dit maakt het systeem vele malen sneller dan thans bekende systemen, zoals bijvoorbeeld gaschromatografie. In een uitvoeringsvorm is de verwerkingseenheid voorzien van een referentietabel of databank, waarin de referentiewaarden zijn opgeslagen. Dergelijke referentietabellen en databanken zijn algemeen bekend en omvatten waarden voor de eigenschappen en parameters, zoals dichtheid, viscositeit, en specifieke warmtecapaciteit, van bekende fluïda. De verwerkingseenheid kan deze gegevens vergelijken met de bepaalde parameters van het medium. Op basis van de opgeslagen vergelijkingen voor de parameters kan de verwerkingseenheid de fracties van de bekende componenten bepalen. Het is denkbaar dat de verwerkingseenheid is ingericht om te vergelijken, te fitten of te interpoleren. Dit vereenvoudigt en versnelt de oplossing van de vergelijkingen.

De sensormiddelen omvatten in een uitvoeringsvorm ten minste een van een dichtheidssensor, een stromingssensor van het Coriolis-type, een thermische stromingssensor, en/of een druksensor. De druksensor kan bijvoorbeeld een differentiële druksensor zijn en de stromingssensor van het Coriolis-type kan in een uitvoeringsvorm tevens de druksensor vormen. Bij voorkeur is de verwerkingseenheid daarbij ingericht om de uit de door de boven genoemde sensoren gemeten parameters verder een of meer van de viscositeit, specifieke warmtecapaciteit en thermische conductiviteit te bepalen door middel van berekeningen of modelleren. De sensoren sturen daarbij een signaal naar de verwerkingseenheid. Hierbij is het denkbaar dat signaalverwerkingsmiddelen voorzien zijn om het signaal te verwerken, bijvoorbeeld voor ruisreductie, signaalcorrecties, of wiskundige bewerkingen zoals integratie, en/of transformaties.

In een bijzondere uitvoeringsvorm, die relatief goedkoop, klein, en efficiënt is, omvatten de sensormiddelen elk van een dichtheidssensor, een stromingssensor van het Coriolis-type, een thermische stromingssensor, en een druksensor. Dergelijke sensoren zijn commercieel verkrijgbaar als bijvoorbeeld, respectievelijk, Avenisens, Bronkhorst Cori-Tech M13, Bronkhorst EL-flow en Bronkhorst EL-press. Andere merken en/of typen sensoren zijn uiteraard denkbaar.

In een praktische uitvoeringsvorm, waarbij de sensormiddelen ten minste een thermische stromingssensor en een stromingssensor van het Coriolis-type omvatten, is de verwerkingseenheid ingericht om de specifieke warmtecapaciteit van het medium te bepalen op basis van signalen van zowel de thermische stromingssensor als van de stromingssensor van het Coriolis-type. Nederlandse octrooiaanvrage NL 2012126 op naam van aanvrager, welk document hierbij onder verwijzing volledig in de onderhavige aanvrage is opgenomen, beschrijft hoe de specifieke warmtecapaciteit van een medium bepaald kan worden uit de helling van een signaal van de thermische stromingssensor uitgezet tegen een signaal van de stromingssensor van het Coriolis-type, hetgeen ook beschreven is in Lötters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) [DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806],

In een uitvoeringsvorm waarbij de sensormiddelen ten minste een stromingssensor van het Coriolis-type en een druksensor omvatten, is de verwerkingseenheid ingericht om de viscositeit van het medium te bepalen op basis van signalen van zowel de stromingssensor van het Coriolis-type als van de druksensor. Het reeds vermelde NL 2012126 beschrijft hoe de viscositeit van het medium te bepalen is uit de helling van het signaal van de stromingssensor van het Coriolis-type uitgezet tegen een signaal van de druksensor. Dit is tevens beschreven in Lötters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) [DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806],

In een uitvoeringsvorm waarbij de sensormiddelen ten minste een druksensor en een thermische stromingssensor omvatten, is de druksensor zodanig voorzien dat deze een differentiële druk over de thermische stromingssensor bepaalt.

Hierna worden een aantal voorbeelden van het toepassen van vergelijkingen voor het bepalen van de fracties van de componenten gegeven.

Voorbeeld 1

In een eerste voorbeeld worden voor het bepalen van een medium met drie componenten de drie (volume-)fracties aangegeven met cp,, wat leidt tot de volgende afhankelijkheid (waarbij hier N =3):

(1)

Volgens de werkwijze dienen dan N-1 = 2 parameters gemeten of bepaald te worden. Deze ten minste twee parameters van het medium kunnen bijvoorbeeld de dichtheid p, en de viscositeit η, van het medium zijn. De dichtheid en viscositeit van het medium zijn een functie van de fracties van de bekende componenten, en de dichtheid en de viscositeit van die bekende component.

Met de dichtheid en viscositeit van elke component aangeduid als respectievelijk p, en ηι, leidt dit tot de volgende afhankelijkheden:

(2)

Deze afhankelijkheden zijn te schrijven als een matrixvergelijking:

(3)

De dichtheid p, en viscositeit η, van elke component zijn in een uitvoeringsvorm opgeslagen in de verwerkingseenheid, bijvoorbeeld in een referentietabel, terwijl de dichtheid p en viscositeit η van het medium gemeten zijn.

Aangezien enkel de fracties φ, onbekend zijn leidt dit tot een stelsel van drie vergelijkingen met drie onbekenden. Dit stelsel kan worden opgelost om de waarden van de fracties cp, te bepalen, bijvoorbeeld door het inverteren van de matrix. Andere combinaties van parameters dan hier boven beschreven, zoals dichtheid en specifieke warmtecapaciteit of viscositeit en specifieke warmtecapaciteit zijn tevens denkbaar. Het is verder denkbaar, dat de groep voor de ten minste twee parameters verder thermische conductiviteit omvat.

Voorbeeld 2

Om de samenstelling van een medium met vier bekende componenten te bepalen wordt in een uitvoeringsvorm een aanvullende parameter van het gasvormige medium bepaald. Volgens de werkwijze worden dan drie parameters van het medium gemeten en/of bepaald. Het medium is hierbij een mengsel van vier componenten, waarbij de drie parameters van het medium afhankelijk zijn van de fracties van de componenten.

In dit tweede voorbeeld wordt aanvullend tevens de specifieke warmtecapaciteit, cp, van het medium bepaald. Met de specifieke warmtecapaciteit van elke van de componenten aangeduid als cpi, leidt dit tot de volgende matrixvergelijking:

(4)

Deze vergelijking kan worden opgelost om waarden voor de vier onbekenden, de fracties cp,, te bepalen, waardoor de samenstelling van het medium met vier componenten bepaald wordt.

Volgens het bovenbeschreven principe is het mogelijk om de samenstelling van een medium met vijf componenten te bepalen door een verdere parameter, welke afhankelijk is van de fracties van de componenten, zoals de thermische conductiviteit, te bepalen. Dit principe kan worden doorgetrokken naar een medium met een N-tal componenten, waarbij een N-1-tal parameters bepaald wordt. Daarnaast is het denkbaar, dat de fracties worden bepaald door andere methoden dan de bovenbeschreven wijze van het oplossen van de vergelijkingen, bijvoorbeeld het fitten of interpoleren van parameters.

De onderhavige uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de bijgevoegde figuren, waarin:

Fig. 1 een schematische weergave van een systeem volgens de onderhavige uitvinding toont; en

Fig. 2 een schematische weergave van een systeem met een veelheid sensoren volgens de onderhavige uitvinding toont.

Fig. 3 de afhankelijkheid van de Wobbe-index van een biogas als functie van C02 en N2 toont;

Fig. 4 een grafiek van de Wobbe index Wl toont als functie van de viscositeit η;

Fig. 5-8 resultaten van metingen aan een systeem volgens de onderhavige uitvinding tonen.

Fig. 1 toont een schematische weergave van een systeem 100 volgens de onderhavige uitvinding, waarmee de fracties van een stromend gasvormig medium dat ten minste in hoofdzaak bestaat uit een bekende veelheid N van bekende componenten bestaat, bepaald kunnen worden. Het systeem 100 omvat een stromingsbuis 2 voor het medium waarvan de fracties bepaald dienen te worden. Het systeem omvat sensormiddelen 30 die met de stromingsbuis 2 verbonden zijn, of daar deel van uitmaken. De sensormiddelen 30 zijn ingericht voor het bepalen van ten minste N-1 parameters van het medium. De parameters zijn daarbij gekozen uit een groep omvattende dichtheid, viscositeit, en specifieke warmtecapaciteit, hetgeen in Fig. 1 is aangegeven met respectievelijk p, η en cp. Het systeem is verder voorzien van een verwerkingseenheid 40, die verbonden is met de sensormiddelen 30 en die is ingericht voor het bepalen van de fractie van elk van de componenten op basis van de gemeten en/of bepaalde parameters. De verwerkingseenheid 40 is in de getoonde uitvoeringsvorm voorzien van een schematisch in Fig. 1 weergegeven referentietabel 60 of databank 60, waarin referentiewaarden van de bekende componenten, voor de gemeten en/of bepaalde parameters, zijn opgeslagen.

De werking van het systeem 100 zal navolgend worden toegelicht. Het gasvormige medium met de bekende componenten wordt door de stromingsbuis 2 gevoerd. De sensormiddelen 30 worden gebruikt om de ten minste N-1 parameters te bepalen, hetzij door middel van het uitvoeren van een rechtstreekse meting, hetzij door middel van het op basis van signalen van de sensormiddelen 30 bepalen van een dergelijke parameter. Alternatief is het denkbaar dat de signalen rechtstreeks naar de verwerkingseenheid 40 gevoerd worden, alwaar de parameters bepaald worden. De verwerkingseenheid 40 in Fig. 1 is ingericht om gebruik te maken van de gegevens uit de referentietabel 60 voor het bepalen van de samenstelling van het medium 2, bijvoorbeeld door een vergelijking van de ten minste twee parameters van het medium 2 met gegevens uit de referentietabel 60. Bij voorkeur omvat de referentietabel 60 verder informatie omtrent de afhankelijkheden tussen de ten minste twee parameters en de fracties φ, van de componenten, bijvoorbeeld in vorm van formules of functies.

De verwerkingseenheid 40 in Fig. 1 omvat vergelijkingen met daarin enerzijds de ten minste twee parameters van het medium 2 en anderzijds de fracties van de componenten en de bijbehorende gegevens uit de referentietabel 60, zoals de hierboven reeds beschreven vergelijkingen (1), (2), (3), en/of (4). Anders geformuleerd: elk van de ten minste N-1 parameters, bijvoorbeeld p, η en/of cp, van het medium is een functie van de fracties cp, van de componenten alsmede van de bijbehorende gegevens uit de referentietabel 60. De verwerkingseenheid 40 in Fig. 1 kan dit stelsel vergelijkingen voor de N-1 parameters oplossen.

In een uitvoeringsvorm is de verwerkingseenheid 40 ingericht om de fracties van de componenten “real time”, dat wil zeggen nagenoeg instantaan, te bepalen. Hiertoe is bijvoorbeeld het stelsel vergelijkingen opstelbaar als een matrixvergelijking, zoals (3) of (4), voor een eenvoudige en snelle oplossing daarvan door de verwerkingseenheid 40.

De verwerkingseenheid 40 is in een uitvoering tevens ingericht om verder een verbrandingswaarde van het medium te bepalen. In het bijzonder is het mogelijk om de Wobbe-index Wl van het medium te bepalen. De Wobbe-index is met behulp van de eerder genoemde vergelijking, berekenbaar uit de fracties van het medium, in combinatie met gegevens uit de referentietabel 60.

Fig. 2 toont een schematische weergave van een systeem 100 volgens de onderhavige uitvinding, met sensormiddelen 30, omvattende sensoren 5, 6, 7, en 8 die op of nabij de stromingsbuis 2 voorzien zijn. In het bijzonder omvatten de sensormiddelen 30 een thermische stromingssensor 5, een stromingssensor van het Coriolis-type 6, een dichtheidssensor 7, en een druksensor 8.

De sensormiddelen 30 in Fig. 2 omvatten een sensorverwerkingseenheid 10. Deze is voorzien van een aantal rekenmodellen 15, 16, 17, 18, waarmee op basis van signalen van de sensoren 5, 6, 7, 8 een veelheid parameters, omvattende specifieke warmtecapaciteit cp, het massadebiet m, de dichtheid p, en de viscositeit η van het medium bepaald kunnen worden. Het eerder genoemde NL 2012126 op naam van aanvrager beschrijft in groot detail hoe met behulp van de hierboven genoemde sensoren 5, 6, 7, 8, de veelheid parameters bepaald kan worden, hetgeen ook beschreven is in Lötters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) [DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806], Hieronder zal, omwille van beknoptheid, volstaan worden met een korte toelichting.

Het uitgangssignaal van de thermische stromingssensor 5 is een maat voor de stromingssnelheid en de warmtecapaciteit van het gasmengsel. De drukval over de thermische stromingssensor 5 wordt gemeten door de druksensor 8, welke in het bijzonder een differentiële druksensor 8 is. Het uitgangssignaal van de stromingssensor van het Coriolis-type 6 verschaft het massadebiet, en de dichtheid wordt verkregen met behulp van de dichtheidsmeter.

Door middel van het vergelijken van uitgangssignalen van de stromingssensor van het Coriolis-type 6 en de druksensor 8, waarbij rekening gehouden wordt met de dichtheid, is het mogelijk om de viscositeit te berekenen.

Door middel van het vergelijken van uitgangssignalen van de thermische stromingssensor 5 en van de stromingssensor van het Coriolis-type 6, is het mogelijk om de warmtecapaciteit van het gasvormige medium te bepalen.

De een of meer verkregen parameters 20 worden toegevoerd naar de in de verwerkingseenheid 40 opgeslagen vergelijkingen 45. Door het stelsel vergelijkingen 45 op te lossen, zijn de fracties cp, van de componenten, en bij voorkeur ook de Wobbe-index Wl, te bepalen.

De verwerkingseenheid 40 is bijvoorbeeld ingericht voor het opstellen van een matrixvergelijking 45, zoals beschreven aan de hand van vergelijking (3) of (4). De verwerkingseenheid vult de vector met de waarden voor de parameters van het medium in met de waarden die bepaald zijn door het sensorsamenstel 1 en die via de parameteruitvoer 20 naar de verwerkingseenheid 40 worden gestuurd. De grootheden van de componenten, met uitzondering van de fracties φ,, worden door de verwerkingseenheid 40 vanuit een referentietabel 60 gehaald en ingevuld in de vergelijkingen 45. De verwerkingseenheid 40 lost vervolgens het stelsel vergelijkingen 45 op waarmee de fracties van componenten van het medium bepaald is.

Het is denkbaar dat een stromingsmeetsysteem volgens de Nederlandse octrooiaanvraag NL 2012126 wordt verbonden met een verwerkingseenheid volgens de onderhavige uitvinding om een systeem volgens de onderhavige uitvinding te vormen. In een uitvoeringsvorm is de sensorverwerkingseenheid 10 in de verwerkingseenheid 40 genomen.

Fig. 3 toont de afhankelijkheid van de Wobbe-index van een gas als functie van de fracties C02 en N2. Een dergelijk gas kan bijvoorbeeld natuurlijk gas zijn, dat wordt toegevoerd aan het gasnetwerk. In Fig. 3 is te zien hoe de Wobbe-index afhangt van de stikstof en kooldioxidesamenstelling van het gas. Met een dergelijke sterke variatie in de samenstelling van het gasmengsel, is een nauwkeurige en snelle bepaling van de samenstelling gewenst.

Fig. 4 toont een grafiek van de Wobbe index Wl (verticale as) als functie van de viscositeit η (horizontale as). Het is gebleken dat wanneer C02 het enige inerte gas in het mengsel is, er een sterke correlatie bestaat tussen de viscositeit en de Wobbe-index van het gasmengsel. Echter, wanneer tevens N2 aanwezig is in het mengsel, wordt de correlatie minder sterk door de hogere viscositeit. Dit leidt tot een relatief groot bereik waarbinnen de daadwerkelijke Wobbe-index is gelegen. In Fig. 4 is dit bereik waarbinnen de Wobbe-index gelegen kan zijn, aangegeven door een benedenindexgrens a en een bovenindexgrens d.

Met de werkwijze en het systeem volgens de onderhavige uitvinding, is het mogelijk, door rekening te houden met de dichtheid van het gasmengsel, om het onderscheid tussen C02 en N2 te maken, waardoor het bereik waarbinnen de daadwerkelijke waarde van de Wobbe-index kan liggen verkleind kan worden tot binnen de gecorrigeerde benedenindexgrens b en de gecorrigeerde bovenindexgrens c. Volgens de onderhavige uitvinding wordt de bepaling van de Wobbe-index nauwkeuriger door het bepalen van meer dan één parameter van het medium, op basis waarvan de samenstelling en daarmee de Wobbe-index bepaald wordt.

De figuren 5 tot en met 8 tonen verder resultaten van metingen aan een systeem volgens de onderhavige uitvinding. Methaan, propaan, koolstofdioxide en stikstof werden met een orde grootte van ongeveer 500 mln/min toegevoerd aan het systeem, met een druk in de orde grootte van 1,5 bar (absolute druk). Gedurende de metingen werden de uitgangssignalen van de dichtheidssensor, druksensor, thermische sensor en de stromingssensor van het Coriolis-type, vastgelegd en verwerkt volgens de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding.

Fig. 5 toont de bepaling van de samenstelling van een gasmengsel met CH4, C02, en N2. Bekende hoeveelheden werden toegevoerd aan het systeem. In Fig. 5 zijn de bekende waarden van de fracties die toegevoerd werden (zogeheten toegepaste fracties) uitgezet tegen de tijd t: de toegepaste CH4 fractie CH4 (a), de toegepaste C02 fractie C02 (a), en de toegepaste N2 fractie N2 (a). De toegepaste (applied) fracties “(a)” zijn ingesteld bijvoorbeeld door middel van een flowmeter en variëren stapsgewijs in de tijd, zoals te zien is aan de blokgolfvormen van de toegepaste fracties CH4 (a), C02 (a), en N2 (a). De waarden die bepaald (measured) zijn met een systeem volgens de onderhavige uitvinding zijn aangeven met een “(m)”. Uitgezet in Fig. 5 zijn de bepaalde CH4 fractie CH4 (m), de bepaalde C02 fractie C02 (m), en de bepaalde N2 fractie N2 (m) uitgezet tegen de tijd t. In Fig. 5 is te zien, dat de waarden van de fracties CH4 (m), C02 (m), en N2 (m), die zijn bepaald met een systeem volgens de onderhavige uitvinding, de toegepaste, en daarmee daadwerkelijke, fracties CH4 (a), C02 (a), en N2 (a) volgen in “real time”. De waarden van de bepaalde fracties CH4 (m), C02 (m), en N2 (m) liggen binnen vijf procent van de toegepaste waarden CH4 (a), C02 (a), en N2 (a). Het systeem volgens de onderhavige uitvinding is daarmee niet alleen snel, maar tevens nauwkeurig.

Fig. 6 toont de bepaling van de Wobbe-index van het gasmengsel uit Fig. 5. Aangezien de compositie van het gasmengsel bekend is, en ook de dichtheid ervan, kan de Wobbe index berekend worden. De toegepaste Wobbe-index van het gasmengsel is aangegeven met Wl (a). In Fig. 6 is te zien dat de Wobbe-index stapsgewijs in de tijd wordt gewijzigd. Een systeem volgens de onderhavige uitvinding bepaalt daarbij de Wobbe-index van het gasmengsel en deze bepaalde waarden zijn aangeven met Wl (m). In Fig. 6 is te zien, dat de curve van de bepaalde Wobbe-index Wl (m) de toegepaste, en dus de werkelijke, Wobbe-index Wl (a) volgt. Een verandering in de toegepaste waarde van de Wobbe-index Wl (a) wordt nagenoeg instantaan opgevolgd door een aanpassing van de bepaalde waarde Wl (m). De afwijking e is uitgezet beneden in Fig. 6. De bepaalde waarden Wl (m) liggen binnen een afwijking van vijf procent van de toegepaste waarden Wl (a). Het systeem volgens de onderhavige uitvinding is dus ingericht voor een instantane en nauwkeurige bepaling van de Wobbe-index.

Fig. 7 toont de bepaling van de samenstelling van een gasmengsel met CH4, C3H8, en N2. Langs de verticale as zijn zowel de door een systeem volgens de onderhavige uitvinding bepaalde waarden van de fracties CH4 (m), C3H8 (m), en N2 (m) evenals de toegepaste, en dus werkelijke waarden van de fracties CH4 (a), C3H8 (a), en N2 (a) uitgezet tegen de tijd, t, die is uitgezet op de horizontale as. Wederom volgen de bepaalde waarden CH4 (m), C3H8 (m), en N2 (m) snel en nauwkeurig de toegepaste waarden van CH4 (a), C3H8 (a), en N2 (a). De afwijking tussen de bepaalde waarden “(m)” en de toegepaste waarden “(a)” ligt beneden vijf procent.

Fig. 8 toont een verdere bepaling van de Wobbe-index van een gasmengsel met CH4, C3H8, en N2. Deze meting is overeenkomstig de meting bij Fig. 6, met het onderscheid dat in Fig. 8 de toegepaste Wobbe-index Wl (a) met een vlakkere blokgolfvorm is uitgevoerd dan in Fig. 6. Wederom liggen de bepaalde waarden Wl (m) binnen een afwijking van vijf procent van de toegepaste waarden Wl (a).

Het moge duidelijk zijn voor de vakman dat de uitvinding hierboven omschreven is aan de hand van enkele mogelijke uitvoeringsvormen, welke de voorkeur genieten. De uitvinding is echter niet beperkt tot deze uitvoeringsvormen. Binnen het kader van de uitvinding zijn vele modificaties denkbaar. De gevraagde bescherming wordt bepaald door de aangehechte conclusies.

Claims

1. Werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium dat ten minste in hoofdzaak bestaat uit een bekende veelheid N van bekende componenten, de werkwijze omvattende de stappen van: het verschaffen van het stromende gasvormige medium waarvan de samenstelling bepaald dient te worden; het bepalen van ten minste N-1 parameters van het toegevoerde gasvormige medium; - het voor elk van de bekende N componenten verschaffen van ten minste N-1 referentiewaarden voor elk van de bepaalde N-1 parameters; en het bepalen van de fractie van elk van de bekende componenten van het toegevoerde gasvormige medium door middel van het oplossen van ten minste N vergelijkingen, de vergelijkingen omvattende: o ten minste N-1 vergelijkingen die elke bepaalde parameter beschrijven als een functie van de fractie van elk van de bekende componenten van het medium, alsmede als een functie van de verschafte referentiewaarden van elk van de bekende componenten van het gasvormige medium, en o ten minste een vergelijking die de som van de fractie van elk van de bekende componenten ten minste in hoofdzaak gelijk stelt aan 100%.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de werkwijze de stap omvat van het in hoofdzaak continu verschaffen van het stromende gasvormige medium, alsmede het in hoofdzaak continu bepalen van de ten minste N-1 parameters.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij de bekende veelheid N bekende componenten gelijk is aan ten minste drie, in het bijzonder gelijk is aan ten minste vier.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de werkwijze omvat het rechtstreeks verschaffen, vrij van een voorbewerking, van het stromende gasvormige medium.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de stappen van het bepalen van de parameters en het bepalen van de fracties van de componenten ten minste een maal herhaald wordt.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij een tussentijd tussen het telkens bepalen van de fracties gelegen is in het bereik van 0 tot 60 seconden, in het bijzonder van 0 tot 15 seconden, meer in het bijzonder tussen 0 en 5 seconden.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij ten minste een van de parameters gekozen is uit de groep van grootheden omvattende massastroom, dichtheid, viscositeit en warmtecapaciteit.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij de dichtheid en de warmtecapaciteit van het gasvormige medium bepaald worden met behulp van signalen van een thermische stromingssensor en een stromingssensor van het Coriolis-type.

9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de vergelijkingen opgelost worden met behulp van een kleinste kwadraten methode.

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij op basis van de bepaalde fracties verder een maat voor de verbrandingswaarde van het stromende gasvormige medium bepaald wordt.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij met behulp van de verbrandingswaarde verder de Wobbe-index van het gasvormige medium bepaald wordt.

12. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, omvattende de stap van het regelen van de massastroom van het stromende gasvormige medium, op basis van de bepaalde fracties daarvan.

13. Systeem voor de werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, omvattende - een stromingsbuis met een toevoer en een afvoer, voor het respectievelijk toevoeren en afvoeren, in het bijzonder op continue wijze, van het stromende gasvormige medium waarvan de samenstelling bepaald dient te worden; - sensormiddelen voor het bepalen van de ten minste N-1 parameters van het toegevoerde gasvormige medium; - een met de sensormiddelen verbonden verwerkingseenheid waarin de ten minste N-1 referentiewaarden zijn opgeslagen, waarbij de verwerkingseenheid is ingericht voor het bepalen van de fractie van elk van de bekende componenten van het toegevoerde gasvormige medium door middel van het oplossen van de ten minste N vergelijkingen.

14. Systeem volgens conclusie 13, waarbij de sensormiddelen en de verwerkingseenheid zijn ingericht om de N-1 parameters en de fracties op herhaalde wijze, in het bijzonder continu, te bepalen.

15. Systeem volgens conclusie 14, waarbij het systeem is ingericht om telkens de fracties te bepalen met een tussentijd die gelegen is in het bereik van 0 tot 60 seconden, in het bijzonder van 0 tot 15 seconden, meer in het bijzonder tussen 0 en 5 seconden.

16. Systeem volgens een van de conclusies 13-15, waarbij de sensormiddelen ten minste een, en in het bijzonder elk, van een dichtheidssensor, een stromingssensor van het Coriolis-type, een thermische stromingssensor, en/of een druksensor omvatten.

17. Systeem volgens een van de conclusies 13-16, waarbij de sensormiddelen ten minste een thermische stromingssensor en een stromingssensor van het Coriolis-type omvatten, waarbij de verwerkingseenheid is ingericht om de specifieke warmtecapaciteit van het medium te bepalen op basis van signalen van zowel de thermische stromingssensor als van de stromingssensor van het Coriolis-type.

18. Systeem volgens een van de conclusies 13-17, waarbij de sensormiddelen ten minste een stromingssensor van het Coriolis-type en een druksensor omvatten, waarbij de verwerkingseenheid is ingericht om de viscositeit van het medium te bepalen op basis van signalen van zowel de stromingssensor van het Coriolis-type als van de druksensor.

19. Systeem volgens een van de conclusies 13-18, waarbij de sensormiddelen ten minste een druksensor en een thermische stromingssensor omvatten, en waarbij de druksensor is ingericht om de differentiële druk over de thermische stromingssensor te bepalen.

20. Systeem volgens een van de conclusies 13-19, verder omvattende met de verwerkingseenheid verbonden signaleringsmiddelen voor het afgeven van een signaal indien een van de bepaalde fracties afwijkt van een normwaarde.