DE19647446A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflußmenge von Flüssiggas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflußmenge von flüssigem Gas, um z. B. eine Flüssiggasmenge zu bestimmen, welche aus einem Flüssiggasbehälter entnommen wird.

In vielen Labors, technischen Instituten oder Betrieben wird flüssiger Stickstoff (LIN) in kleinen Mengen benötigt. In der Regel wird der Stickstoff in größeren, isolierten Speicherbehältern gelagert, an festen Abnahmestellen entnommen und in offene Isolierkannen, kleine Behälter oder dergleichen gefüllt. Dabei besteht häufig das Bedürfnis, die entnommene Stickstoffmenge zu erfassen, zu registrieren und zuzuordnen. Hierfür wird ein Mengenmeßgerät benötigt, das Mengen unter 100 kg flüssigem Stickstoff bei Durchflußraten von beispielsweise 5 bis 15 kg/Minute erfassen kann. Typische Druckwerte innerhalb des Speicherbehälters liegen zwischen 1 und 3 bar.

Im Stand der Technik wurde diese Anforderung mittels einer Waage oder mit handelsüblichen Durchflußmeßgeräten gelöst. Bei der Wägung besteht das Problem, daß nur die in den Abfüllbehälter eingefüllte Menge erfaßt werden kann; Umfüllverluste, beispielsweise durch Verdampfen eines Teils des flüssigen Stickstoffs, werden dagegen nicht berücksichtigt. Ferner können die entnommenen Mengen flüssigen Stickstoffs bei dieser Lösung nur dann zuverlässig erfaßt und registriert werden, wenn die Person, welche den flüssigen Stickstoff abfüllt, diesen bei jeder Entnahme auch tatsächlich wiegt. Schließlich ist der Platzbedarf für ein solches Wägesystem relativ groß.

Handelsübliche Durchflußmeßgeräte, die zum Erfassen von Flüssiggasströmen eingesetzt werden, arbeiten beispielsweise nach dem Wirkdruckverfahren, mit Ultraschall oder mit Turbinenradzählern. Um ein zuverlässiges Meßergebnis zu erhalten, benötigen sie eine einphasige Flüssigkeitsströmung mit großer Unterkühlung. Da zum Abfüllen von flüssigem Stickstoff gegen Atmosphärendruck sinnvoll nur niedrige Betriebsdrücke eingesetzt werden können und damit das Medium nahe bei seinem Siedezustand ist, kann beim Abfüllen von flüssigem Stickstoff in offene Isolierkannen und dergleichen keine unterkühlte, einphasige Flüssiggasströmung garantiert werden. Für alle Verfahren nach dem Stand der Technik gilt ferner, daß sie relativ teuer sind.

Es gibt somit im Stand der Technik keine befriedigende Lösung für die Erfassung von relativ kleinen Flüssiggasmengen, welche aus einem größerem Flüssiggasspeicher in kleinere Behälter umgefüllt werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Flüssiggasmenge, welche aus einem Speicherbehälter entnommen wird, anzugeben, die geeignet sind für die Erfassung und Registrierung von kleinen Mengen Flüssiggas, insbesondere flüssigen Stickstoffs, welche aus einem größeren Speicherbehälter in offene Isolierkannen, kleine Behälter oder dergleichen abgefüllt werden. Die Erfindung soll insbesondere Anwendung finden in Labors, technischen Instituten oder Betrieben, welche z. B. flüssigen Stickstoff in kleinen Mengen benötigen, wobei die Menge des entnommenen Stickstoffs erfaßt werden soll, ohne daß zu hohe Anforderungen an die Genauigkeit dieser Erfassung gestellt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Ventil, beispielsweise in einer Entnahmeleitung eines Flüssiggasbehälters, geöffnet, so daß das flüssige Gas durch das Ventil zu strömen beginnt. Die Zeit, während der das Gas durch das Ventil strömt, wird erfaßt, und abhängig von der erfaßten Zeit und dem Durchflußbeiwert des Ventils wird die Durchflußmenge des flüssigen Gases berechnet.

Wenn man davon ausgeht, daß aus einem Flüssiggasbehälter mit konstantem Druck und fest vorgegebener Entnahmeleitung und Sperrventil nach einer Einschwingzeit (Kaltfahren) immer die gleiche Menge prn Zeiteinheit ausströmt, so benötigt man bei der einfachsten Ausführungsform der Erfindung lediglich eine Uhr und ein Startsignal, um die entnommene Menge Flüssiggas zu bestimmen. Die entnommene Menge kann dann durch zeitliche Integration des konstanten Flüssigkeitsstroms ermittelt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beginnt die Zeiterfassung nicht einfach beim Öffnen des Ventils, sondern abhängig von der Temperatur in der Entnahmeleitung. Hierfür wird die Temperatur stromabwärts des Ventils, insbesondere beim Austritt des Flüssiggases, erfaßt, und das Startsignal wird erst dann ausgegeben, wenn die Temperatur bis zu einem vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise -180°C, abgesunken ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß durch das Öffnen des Ventils ein Freigabesignal erzeugt wird, welches einen Zähler zurücksetzt und aktiviert, wobei der Zählvorgang selbst erst von dem Startsignal des Temperatursensors ausgelöst wird.

Die Durchflußmenge ist von den Durchflußbeiwerten der Entnahmeleitung und der Absperrarmatur, insbesondere des Ventils, einerseits, und von der Differenz zwischen dem Behälterdruck und dem Umgebungsdruck andererseits abhängig. Der Umgebungsdruck, oder Atmosphärendruck, ist hierbei als Gegendruck näherungsweise konstant. Zwar kann bei manchen Anlagen auch der Flüssiggasdruck im Speicherbehälter, aus welchem das flüssige Gas entnommen wird, als konstant angenommen werden, eine genauere Bestimmung der Durchflußmessung ergibt sich jedoch, wenn der statische Druck stromaufwärts des Ventils gemessen und für die Bestimmung der Durchflußmenge verwendet wird.

Die Durchflußmenge ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung aus dem zeitlichen Integral von Q, wobei für Flüssigkeiten und Flüssiggas gilt:

Q = Kv.√Δp/ρ.

Kv ist der Durchflußbeiwert des Ventils und der das Ventil enthaltenden Leitung, Δp ist die Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Leitung, d. h. im wesentlichen zwischen dem Behälterinnendruck und der Umgebung, und ρ ist die Dichte des flüssigen Gases.

Näherungsweise kann die Durchflußmenge bei einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung als zeitliches Integral von Q = k.(a+b.p) berechnet werden, wobei k, a und b Konstanten sind und wobei p der statische Druck stromaufwärts des Ventils ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, die Durchflußmenge kontinuierlich und/oder beim Schließen des Ventils anzuzeigen und zu speichern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflußmenge vom flüssigen Gas umfaßt ein Ventil in einer Entnahmeleitung für das Gas, einen Signalgeber, der bei Beginn der Gasströmung durch die Leitung ein Startsignal ausgibt, einen Zähler, welcher das Startsignal empfängt und die Zeit erfaßt, während der das Gas durch die Leitung strömt, und eine Recheneinrichtung, welche die Durchflußmenge des flüssigen Gases durch die Leitung abhängig von der vom Zähler gezählten Zeit und einem vorgegebenen Durchflußbeiwert des Ventils und der Leitung berechnet.

Vorzugsweise ist ein Temperatursensor stromabwärts des Ventils angeordnet, welcher die Temperatur in der Leitung erfaßt und bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes ein Startsignal an den Zähler ausgibt. Damit wird auch die Vorgeschichte der Entnahmestelle für Flüssiggas erfaßt; d. h., wenn die Entnahmestelle noch kalt ist, weil erst vor kurzem Flüssiggas entnommen wurde, kommt das Flüssiggas schneller bei der Entnahmestelle an, und das Startsignal kann entsprechend früher gegeben werden.

Eine weitere Verbesserung der Erfindung ereicht man durch die Messung des statischen Drucks vor dem Austritt der Flüssigkeit mittels eines Druckaufnehmers, stromabwärts des Ventils. Der erfaßte Druck wird für die Berechnung des Durchflußwertes an die Recheneinrichtung weitergeleitet.

Um ein präzises Startsignal zu erhalten, sollte die Entnahmeleitung mit einem Schaltventil, z. B. einem Magnetventil, abgesperrt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung eignen sich besonders für die Entnahme kleiner Mengen kryogener Medien, z. B. flüssigen Stickstoffs, Argon oder Sauerstoff, aus Speicherbehältern in Labors, technischen Instituten oder Betrieben, wo das Flüssiggas in der Regel bei einem konstanten, geringen Druck gespeichert und in offenen Behältern abgefüllt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt
eine Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflußmenge von flüssigem Gas bei der Entnahme des Flüssiggases aus einem Speicherbehälter gemäß der Erfindung.

Die Figur zeigt einen Kalt- oder Standtank 10 für flüssigen Stickstoff, welcher einen (nicht gezeigten) Vakuum-Isolationsmantel aufweist. Von dem Tank 10 führt eine Entnahmeleitung 12 zu einem Absperrventil 14. Stromabwärts des Absperrventils 14 ist ein Temperatursensor 16 in der Entnahmeleitung vorgesehen, stromaufwärts des Ventils 14 ist ein Druckaufnehmer 18 angeordnet. Die Entnahmeleitung 12 mündet bei einer Entnahmestelle 20. In dem Tank 10 ist beispielsweise flüssiger Stickstoff (LIN) bei einem Druck von 1 bis 3 bar gespeichert.

Das Absperrventil 14 sendet ein Ein/Aus-Signal 30 an eine Puffereinrichtung 22, welche beim Öffnen des Ventils 14 ein logisches "1"-Signal 28 ausgibt. Die vom Sensor 16 erfaßten Temperaturwerte werden in einer Überwachungseinrichtung 24 mit einem unteren Temperaturgrenzwert verglichen, und bei Abkühlung der Leitung 12 bis zu einer Grenztemperatur, für flüssigen Stickstoff z. B. -180°C, gibt die Überwachungseinrichtung 24 ein Startsignal 26 aus. Erst wenn die Grenztemperatur erreicht ist, hat sich tatsächlich eine Flüssiggasströmung eingestellt. Dies kann, je nachdem wie lange die letzte Entnahme von Flüssigstickstoff zurückliegt, zwischen wenigen Sekunden und einigen Minuten ab dem Öffnen des Ventils dauern.

Das logische Signal 28 von der Puffereinrichtung 22 kann z. B. zum Zurücksetzen und Freigeben eines Zählers 34 verwendet werden, das Startsignal 28 aktiviert den Zähler, so daß die Zeiterfassung beginnt.

Der Druckaufnehmer 18 erfaßt den statischen Druck des Flüssiggases der Entnahmeleitung; er könnte alternativ auch im Tank 10 angeordnet sein. Das Ausgangssignal des Druckaufnehmers 36 wird an eine Recheneinheit 38 übergeben. Diese ermittelt, wie weiter unten noch näher erörtert ist, aus dem Druck des flüssigen Gases, den Durchflußbeiwerten von Leitung 12 und Ventil 14 und der vom Zähler 34 erfaßten Strömungsdauer die Menge des entnommenen Flüssiggases.

Somit können mit der vorliegenden Erfindung kleinste Mengen flüssigen Gases mit einem System erfaßt werden, das lediglich einfache, preiswerte Komponenten benötigt, welche zumindest teilweise in konventionellen Flüssiggasanlagen bereits enthalten sind.

Das erfindungsgemäße Kleinstmengenmeßgerät besteht, wie oben erörtert, im wesentlichen aus dem Schaltventil 14, dem Druckaufnehmer 18 und dem Temperatursensor 16, deren elektrische Signale an einen Zähler 34 und eine Recheneinrichtung 38 übergeben werden. Die Entnahmeleitung 12, welche in der Regel noch andere Komponenten, wie einen Phasentrenner, enthalten kann, sollte so dimensioniert sein, daß das Druckgefälle vom Flüssigkeitstank 10 zur Entnahmestelle 20 gering ist. In der Praxis kann davon ausgegangen werden, daß der Druck im Speicherbehälter relativ konstant und niedrig (£ 3 bar) ist. Dies ist eine Voraussetzung für die weiter unten erläuterten Vereinfachungen bei der Berechnung der Durchflußmenge.

Die Messung der Flüssiggas-Durchflußmenge läuft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen wie folgt ab:

• - Zunächst ist das Schaltventil 14 geschlossen, kein Flüssiggas strömt durch die Leitung 12, und der Zähler 34 und die Recheneinrichtung 38 sind im Ruhezustand.
• - Nun wird das Schaltventil 14 auf einen Steuerbefehl hin geöffnet. Die Puffereinrichtung 22 enthält ein Ein-Signal und gibt eine logisches "1"-Signal aus. Das Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung 24 ist jedoch weiterhin 0. Dadurch kann der Zähler 34 freigegeben werden, er beginnt jedoch noch nicht zu zählen.
• - Die Austrittstemperatur des Flüssiggases stromabwärts des Ventils 14 wird vom Temperatursensor 16 erfaßt und in der Überwachungseinrichtung 24 mit einem Grenzwert verglichen. Wenn die Temperatur bis zu dem Grenzwert, z. B. -180°C für flüssigen Stickstoff, abgesunken ist, gibt die Überwachungseinrichtung 24 das Startsignal 26 aus. Das Erreichen der Grenztemperatur signalisiert, daß Flüssiggas durch die Leitung strömt.
• - Abhängig von dem Startsignal 2∎∎∎ beginnt der Zähler 34 zu zählen, d. h. die Durchflußzeit zu erfassen. Gleichzeitig wird vom Druckaufnehmer 18 der Druck des Flüssiggases erfaßt. Abhängig von der Zeit, dem Flüssiggasdruck und den Durchflußbeiwerten der Leitung 12 und des Ventils 14 wird die Durchflußmenge in der Recheneinheit 38 berechnet und fortlaufend aktualisiert.
• - Wenn das Schaltventil 14 geschlossen wird, geht das logische Signal von der Puffereinrichtung 22 wieder auf null, und der Zähler wird angehalten. Der Zählerstand und die zuletzt berechnete Durchflußmenge werden gespeichert.

Während und nach der Berechnung der jeweiligen Durchflußmenge kann diese angezeigt werden. Hierzu ist eine Anzeige 40 vorgesehen.

Die Durchflußmenge kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den folgenden Prinzipien berechnet werden.

Der Durchflußbeiwert oder Kv-Wert des Schaltventils 14 und der Entnahmeleitung 12 bestimmt bei konstanten Betriebsbedingungen den Durchfluß. Für Flüssigkeiten und Flüssiggase gilt der folgende Zusammenhang für das Durchflußvolumen pro Zeit:

Q = Kv.√Δp/ρ,

wobei ρ die Dichte des Flüssiggases und Δp der Differenzdruck über der Entnahmeleitung 12 ist.

Die Dichte p von flüssigem Stickstoff ist im interessierenden Druckbereich, z. B. für 1,0 bis 3,0 bar, mit einer Abweichung von 6,5% konstant und steht unter der Wurzel. Zur Vereinfachung der Berechnung soll im folgenden für die Dichte r eine Konstante k angenommen werden. Bei dieser Berechnung geht die Dichte somit nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz mit einer Unsicherheit von 0,5 mal der Abweichung, also mit rund 3,3% ein.

Die Wurzel aus dem Differenzdruck kann in den Grenzen von 1,0 bis 3,0 bar durch einen linearen Ausdruck der folgenden Form, mit einem Fehler von ebenfalls ± 3,3%, ersetzt werden:

√Δp = a+b.Δp,

wobei a und b Konstanten sind. Da ferner hinter dem Absperrventil 14 die Flüssigkeit im wesentlichen gegen Atmosphärendruck entspannt wird, gilt

Δp = p vor dem Schaltventil.

Somit kann der obige Ausdruck für Q auf folgende Formel vereinfacht werden:

Q = Kv.1/√ρ.(a+b.p) = k.(a+b.p)

Der theoretische maximale Fehler beträgt dann

f = 3,3%+3,3% = 6,6%.

Durch Verändern des k-Faktors kann die Berechnung der Durchflußmenge an unterschiedliche Absperrventile, z. B. Magnetventile, Geometrien der Entnahmeleitung, Betriebsbedingungen und Speichermedien angepaßt werden.

Die Temperaturmeßstelle dient der Signalunterdrückung in der Kaltfahrphase, bis sich eine stationäre Flüssigkeitsströmung eingestellt hat.

Die in der obigen Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims (13)

1. Verfahren zum Bestimmen der Durchflußmenge von flüssigem Gas, bei dem ein Ventil (14) geöffnet wird, so daß das flüssige Gas durch das Ventil strömt, der Beginn der Gasströmung durch das Ventil (14) ermittelt wird, die Zeit erfaßt wird, während der das Gas durch das Ventil strömt, und abhängig von der erfaßten Zeit und dem Durchflußbeiwert des Ventils die Durchflußmenge berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur stromabwärts des Ventils (14) erfaßt wird und die Zeiterfassung beginnt, wenn die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit solange erfaßt wird, wie das Ventil (14) geöffnet ist und der Grenzwert erreicht ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der statische Druck stromaufwärts des Ventils (14) gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge als zeitliches Integral von Q berechnet wird, wobei gilt:
Q = Kv.√Δp/ρ,
Kv ist der Durchflußbeiwert des Ventils und einer das Ventil (14) enthaltenen Leitung (12), Δp ist die Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende der Leitung (12), und
ρist die Dichte des flüssigen Gases.

6. Verfahren nach einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge als zeitliches Integral von Q berechnet wird, wobei gilt:
Q = k.(a+b.p),
k, a und b sind Konstanten, und p ist der statische Druck stromaufwärts des Ventils (14).

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge kontinuierlich und/oder beim Schließen des Ventils (14) angezeigt wird.

8. Vorrichtung zum Bestimmen der Durchflußmenge von flüssigem Gas, welches durch eine Leitung (12) strömt, mit einem Ventil (14) in der Leitung, einem Signalgeber (24), der bei Beginn der Gasströmung durch die Leitung (12) ein Startsignal ausgibt, einem Zähler (34), welcher das Startsignal empfängt und die Zeit erfaßt, während der das Gas durch die Leitung (12) strömt, und
einer Recheneinrichtung (38), welche die Durchflußmenge des flüssigen Gases durch die Leitung (12) abhängig von der vom Zähler (34) gezählten Zeit und dem Durchflußbeiwert des Ventils und der Leitung berechnet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Temperaturerfassungseinrichtung (16, 24) stromabwärts des Ventils (14), welche die Temperatur in der Leitung (12) erfaßt und bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes das Startsignal (26) an den Zähler ausgibt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (22) zum Erzeugen eines Freigabesignals für den Zähler (34) beim geöffneten Ventil (14).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Druckaufnehmer (18) stromaufwärts des Ventils (14), der den Druck in der Leitung (12) erfaßt und an die Recheneinrichtung (38) weiterleitet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (14) ein Schaltventil, insbesondere ein Magnetventil ist, und daß die Leitung (12) eine Entnahmeleitung eines Flüssiggasbehälters (10) ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssiggas flüssiger Stickstoff ist.