Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer Leckage in einer Leitung eines strömenden Mediums zu einem Verbraucher mittels eines Sensors, sowie eine Anlage hierfür.

Stand der Technik

In der Bundesrepublik Deutschland nimmt die Nutzung von Gas beträchtlich zu, das über ein gut ausgebautes Fernleitungsnetz bereitgestellt wird und heute hauptsächlich aus Erdgas besteht. Als Grossabnehmer sind regionale und kommunale Gesellschaften tätig, die wiederum die Zuteilung des Erdgases an einzelne Haushalte und Betriebe vornehmen. Dort erfolgt die Nutzung des

Erdgases, und die Abrechnung mit den Zulieferern erfolgt über die Messung der Gasmenge durch geeignete Gaszähler, deren Entwicklung weit vorangeschritten ist.

Bei der Gasmesstechnik haben sich sogenannte Balgenmesszähler durchgesetzt. Die Versorgung von Haushalten und Betrieben mit Gas ist damit sichergestellt und die Abrechnung des Gasmengenverbrauchs über geeignete Gaszähler geregelt. Allerdings bleiben Fragen der Sicherheit offen, die mit der Gasnutzung zusammenhängen.

In der Bundesrepublik Deutschland erfolgt jährlich eine Reihe von Unfällen, die auf Leckagen in Gasleitungen zurückzuführen sind. Die dadurch entstandenen

Schäden treten anzahlmässig nicht oft auf, führen jedoch dazu, dass in einem Grossteil der Bevölkerung eine überhöhte Angst vorliegt, Gas im

Haushaltsbereich zur Anwendung zu bringen. Es setzt sich, vor allem im

Hinblick auf steigende Gaspreise die Kenntnis durch, dass eine Ausweitung der

Gasnutzung im Haushaltsbereich, z.B. zum Kochen und Heizen, nur dann erreichbar wird, wenn beachtliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die auch die Leckagedetektion von Gas aus Zuführleitungen umfassen. Dies macht die Bereitstellung von Leckagedetektoren erforderlich und deren

Integration in Detektionssysteme, die sicherstellen, dass die gewünschte erhöhte Sicherheit nicht nur gewährleistet, sondern von der Bevölkerung auch verstanden wird.

Der Betrieb von Haushaltsgasanlagen, die mit Gas betrieben werden, ist zulässig, solange die Leckage den Grenzwert von 11/h nicht überschreitet. Da der Messbereich der herkömmlichen Haushaltsgaszähler oberhalb dieses Wertes von 0,001 m ³ /h liegt, lassen diese sich nicht zur Leckagedetektion einsetzen. Aus diesem Grund wird Leckage in Haushaltsgasleitungen bisher zumeist Offline getestet, d. h., das System muss ausser Betrieb gesetzt werden, um eine Hochdruckprüfung durchführen zu können. Bestehende Onlinemessverfahren basieren auf der Detektion des austretenden Gases und sind bis jetzt nicht mit ausreichender Genauigkeit erhältlich. Dies stellt eine beachtliche Einschränkung der Gasleckagedetektion dar und bedingt somit eine Reduktion der Sicherheit des Einsatzes von Gasgeräten im Haushaltsbereich, aber auch beim Einsatz von Gasgeräten in der Produktionl

Bspw. in der WO 02/065084 wird ein Verfahren zum Überwachen eines

Gasstromes in einer Leitung zwischen zwei Leitungspositionen, bspw. zwischen einem Absperrventil und einem Verbraucher beschrieben. Dabei wird an der ersten und zweiten Leitungsposition die Durchflussmenge des Gasstroms ermittelt und beide Durchflussmengen miteinander verglichen. Bei

Überschreitung eines vorbestimmten Differenzwertes zwischen den beiden ermittelten Durchflussmengenwerten wird der Gasstrom abgeschaltet oder ein

Alarm ausgelöst. Dieses Verfahren scheitert bislang daran, dass es keine Sensoren gibt, die derart geringe Gasmengen messen können.

Aufgabe

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage der o. g. Art zu entwickeln, mit der auf einfache Art und Weise die Detektion einer Leckage möglich ist. Diese Erfindung soll in Verbindung mit dem Einsatz bestehender Gaszähler zur Anwendung gebracht werden können, aber auch in Verbindung mit einem nach demselben Messprinzip arbeitenden Gaszähler Einsatz finden.

Lösung der Aufgabe

Zur Lösung der Aufgabe führt, dass im Zustand der Abschaltung aller gasbetriebener Verbraucher mit dem Sensor eine Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung ermittelt wird.

Der Zustand der Abschaltung der Verbraucher liegt oftmals in Haushalten in Nachtstunden beim Betrieb von Gasanlagen vor. Es ist aber auch möglich, den Messzustand für die hier vorgeschlagene Gasleckagedetektion durch gezieltes Abschalten aller gasbetriebener Geräte herzustellen, so dass dann, bei Vorliegen einer Leckage, nur die Leckagegasmenge gemessen werden kann.

Anders als bei der Messung von Mengen des strömenden Gases in der Zuführleitung zu einem Gebäude, gibt es Sensoren, welche auch schon eine geringe Strömungsgeschwindigkeit ermitteln. Zu erwähnen ist hier insbesondere ein Sensor, wie er in der EP 1 038 160 B1 beschrieben wird. Dieser Sensor nutzt die Diffusions- und Strömungsgeschwindigkeit eines Gasstromes und deren Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit für Messungen von Gasmassen aus. Ein dünner Draht wird dabei periodisch erhitzt und gibt seine Wärme in das strömende Medium ab. Die abgegebene Wärme wird mit der Strömung stromabwärts getragen, wo ein weiterer Draht vorgesehen ist. Die Phasendifferenz des Sendesignals und des Empfangssignals, d. h., die zugehörige Zeit wird für die Messzwecke bestimmt. Gemessen wird der Massenstrom eines Gases. Falls notwendig kann eine dazu benötigte Kalibrierkurve in einem eigens dafür entwickelten Kalibrierverfahren bestimmt werden. Der Sensor erweist sich als unempfindlich gegenüber der Zusammensetzung des strömenden Medium, insbesondere des Gases und dessen Feuchtegehalt, und über weite Bereiche auch als unempfindlich gegenüber der Gastemperatur.

Bevorzugt werden Drähte mit einem relativ grossen Durchmesser von 18μm verwendet, um die thermische Zeitkonstante der Drähte mit zu erfassen und somit einen hohen Messbereich zu erhalten. Insbesondere die Empfindlichkeit bei kleinen Gasgeschwindigkeiten wird so erreicht, welche für die Messung kleiner Massenströme von Gasen wesentlich ist, um einen Gasleckagedetektor auf der Basis des Sensors zu erstellen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, dass der Sensor zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit in der Mengenmesseinrichtung selbst integriert ist. Bspw. befinden sich bei der normalen Entnahme des Gases für den Betrieb von gasgefeuerten Geräten die Drähte des Leckagemessgerätes ausser Betrieb. Wird der Verbraucher abgeschaltet, so wird der oben beschriebene Sensor angesprochen und kann seine Geschwindigkeitsmessung bei einer Gasleckage aufnehmen. Dies kann in

demselben Kanal geschehen, wobei nachteilig ist, dass dieser Kanal für die eigentliche Gasmengenmessung einen zu hohen Querschnitt aufweist. Aus diesem Grunde ist bevorzugt die Mengenmesseinrichtung von dem Sensor getrennt vorzusehen.

Hierzu ist bevorzugt der Sensor in einem Bypass um die Mengenmesseinrichtung herum geschaltet. Das bedeutet, dass, sobald der Verbraucher abgeschaltet wird, ein entsprechendes Ventil die Gasleitung auf den Sensor schaltet, so dass der Weg zur Mengenmesseinrichtung unterbrochen ist. Nunmehr kann ein Sensor auch mit einem sehr geringen Durchschnitt verwendet werden, der gewährleitstet, dass kleinste Mengen an strömendem Medium durch die Phasenverschiebung der Signale der Drähte ermittelt wird. Dieses Messsignal erlaubt die Messungen sehr kleiner Massenströme.

Die vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass jeglicher Balgengaszähler über ein mit einem Zwei-Wege-Ventil in Verbindung stehenden Leckagedetektor versehen werden kann. Das erfindungsgemässe Leckagedetektionssystem ist in seiner Grundausführung auf alle sich im Einsatz befindenden Balgengaszähler anwendbar oder auch in Verbindung mit Gaszählern, die nach anderen Messprinzipien arbeiten. Wenn der Gasverbrauch auf null heruntergefahren ist, wie z. B. während der Nachstunden, schaltet das Ventil vom regulären Gaszähler auf die Detektionseinheit um, um feststellen zu können, ob kleine Leckageströme auftreten, die ausserhalb des Messbereich des Gaszählers liegen. Da der Messbereich des Sensors um mindestens eine Grössenordnung unter dem des Gasmeters liegt, ist so eine Leckagedetektion mit sehr kleinen Massenströmen möglich. Gleichzeitig soll das Gerät auch ausbaubar sein, um im unteren Bereich Gasabnahmemessungen durchzuführen. Hierdurch ist die Anlage vielfältiger einsetzbar.

Figurenbeschreibung

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Figur 1 ein Diagramm des Heizenergiebedarfes in einem typischen

Haushalt;

Figur 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Anlage zur Detektion einer Leckage in einer Leitung eines strömenden Mediums;

Figur 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Gaszählers;

Figur 4 einen Querschnitt durch den Gaszähler gemäss Figur 3 entlang Linie IV-IV;

Figur 5 einen Querschnitt durch einen Gasleckagedetektor.

In Figur 1 ist der Heizenergiebedarf eines typischen Haushaltes zu erkennen. Deutlich wird, dass insbesondere ausserhalb der Heizperiode in der Zeit von 22 Uhr bis 5 Uhr morgens alle Geräte von der Gaszufuhr abgeschaltet sind. Dieser Zeitraum bietet sich vor allem zur Gasleckagendetektion an.

Bei der Anlage selbst, die gemäss Figur 2 die Leckagedetektion vornehmen soll, wird das strömende Medium in einer Leitung 1 von einer nicht näher gezeigten Quelle einem Verbraucher 2 zugeführt. Dabei ist in die Leitung 1 ein Zwei-Wege-Ventil 3 eingeschaltet, welches die Leitung 1 in zwei Zweigleitungen 4.1 und 4.2 aufteilt. Die Zweigleitung 4.1 führt zu einer Mengenmesseinrichtung 5, während die Zweigleitung 4.2 zu einem Sensor 6 führt.

Entsprechende Ausgangsleitungen 7.1 und 7.2 aus der Mengenmesseinrichtung 5 und dem Sensor 6 vereinigen sich wieder zu einer Leitung 1.1 , an welche der Verbraucher 2 anschliesst.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:

Als Beispiel für ein strömendes Medium soll Gas genommen werden. Der Verbraucher 2 ist z. B. ein Gasbrenner. Damit handelt es sich bei der Leitung 1, 1.1 um eine übliche Haushaltsgasleitung. In diese ist ein Gaszähler 5 als Mengenmesseinrichtung eingeschaltet. Dieser Gaszähler 5 weist ein Gehäuse 8 mit einer Anzeige 9 für die durchmessende Gasmenge auf. Dabei durchfliesst die Gasmenge einen sich düsenartig verjüngenden Kanalabschnitt 10 und nach dem Sensor 6 ein sich wieder erweiternden Kanalabschnitt 11 , wobei bei dieser „In-Line-Variante" der Sensor 6 sowohl die Messung des verbrauchten Gases als auch die Messung von Gasleckagen bei abgeschalteten Verbrauchern übernehmen könnte. Aus diesem Grunde ist die Engstelle zwischen dem sich verjüngenden Kanalabschnitt 10 und dem sich wieder öffnenden Kanalabschnitt 11 noch relativ gross.

Anders ist dies, wenn, wie in Figur 5, der Sensor 6 in einem separaten Gasleckagedetektor 12 vorgesehen wird. Dieser Gasleckagedetektor 12 ist vorgesehen, um parallel, beispielsweise in dem Bypass 4.2, 7.2 um den Gaszähler 5 herum angeordnet zu werden. Hierbei ist wiederum die düsenförmige Ausgestaltung des Gaszuführungskanals zu erkennen, wobei der Sensor 6 nahe der Stelle der grössten Einschnürung angeordnet ist. Hier beträgt der Durchmesser etwa 2 mm. Dem Sensor mit etwa 0,5 mm bis 2 mm Drahtlänge wird der Gasstrom in einem Mengenbereich von U > 5cm/s zugeführt. Gasmessungen von unter einem Liter pro Stunde werden so möglich.

Erfolgt eine normale Gasabnahme des Brenners 2, so fliesst Gas aus der Leitung 1 über das Ventil 3, die Zweigleitung 4.1 durch den Gaszähler 5, die

Ausgangsleitung 7.1 und die Leitung 1.1 zu dem Brenner 2. Die Menge des verbrauchten Gases wird von dem Gaszähler 5 ermittelt.

Wird nun der Brenner 2 abgeschaltet und soll eine mögliche Leckage detektiert werden, so wird der Leckagedetektor 12 über die Abschaltung informiert. Fliesst jetzt trotzdem Gas, so wird dieser Fluss von dem Sensor 6 detektiert. Hierzu nutzt der Sensor eine Diffusions- und Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes. Ein dünner Draht wird periodisch erhitzt. Die abgegebene Wärme wird mit der Strömung des Gases stromabwärts getragen, wo ein weiterer Draht angebracht ist. Die Phasendifferenz des Sendesignals und des Empfangssignals, d. h. die zugehörige Zeit, wird ermittelt. Stellt sich eine Phasendifferenz heraus, so bedeutet dies, dass Gas durch eine undichte Stelle abströmt.

DR. PETER WEISS, DIPL-ING. A. BRECHT & DIPL.-FORSTW. PETRA ARAT

Patentanwälte European Patent Attomey

Aktenzeichen: P 3305/PCT Datum: 13.06.2006 W/GE

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