Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von aus einem Volumenstrom und/oder einer Druckdiffe¬ renz bestimmbaren Gaseigenschaften, z.B. der dynamischen Vis¬ kosität und der Dichte von Gasen, insbesondere von Brenngasen, mittels einer Dosiervorrichtung und mindestens eines Strö¬ mungswiderstands .

Aus der EP-OS 0 '022 493 sind ein Verfahren und eine Vorrich- tung dieser Art zur verbrennungslosen Messung und/oder Rege¬ lung der Wärmemengenzufuhr zu Gasverbrauchseinrichtungen be¬ kannt. Danach ist es möglich, neben der Dichte und der dynami¬ schen Viskosität auch andere Eigenschaften von Brenngasen zu bestimmen, wie den Brennwert, den Heizwert oder den Wobbe-In- dex. Dabei wird wenigstens ein Teil des zu analysierenden Gases zur Messung der dynamischen Viskosität durch einen Lami¬ narwiderstand in Form einer Kapillare und zur Messung der Dichte durch einen Turbulenzwiderstand in Form einer Lochblen¬ de geleitet. Soweit zwecks Bestimmung des Brenn- oder Heizwer¬ tes sowohl die dynamische Viskosität als auch die Dichte ge¬ messen werden müssen, werden der Laminarwiderstand und der Turbulenzwiderstand in Reihe hintereinander angeordnet. Zur Bestimmung der dynamischen Viskosität und der Dichte werden zumindest zwei Meßwerte benötigt, nämlich die Druckdifferenz über dem betreffenden Strömungswiderstand sowie der Volumen¬ strom (Volumen/Zeit) des den Strömungswiderstand passierenden

Gases. Die Messungen erfolgen im kontinuierlichen Gasstrom, so daß die Gasdrücke jeweils vor und hinter dem Strömungswide ¬ stand gemessen werden; somit sind für die Messung der dynami¬ schen Viskosität und der Dichte des Gases insges-a t fünf Me߬ werte zu erfassen und zu verknüpfen. Außerdem muß das perma¬ nent strömende Gas der Hauptleitung oder einem Verbraucher zugeführt werden.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Meßverfahren und die gattungsgemäße Meßvorrich¬ tung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß ein Gasspeicherbehälter, der in Abhängigkeit von Druckdif¬ ferenzen zwischen seinem Innenraum und seiner ITmgebungsatmo- sphäre eine Volumenänderung erfährt, zunächst zur Bestimmung dieser Abhängigkeit in der zugehörigen Meßvorrichtung bei¬ spielsweise mit einem Prüfgas kalibriert wird, worauf wenig¬ stens ein Meßzyklus durchgeführt wird, daß in dem wenigstens einen Meßzyklus der Gasspeieherbehälter zunächst mit dem zu untersuchenden Gas unter Vergrößerung seines Volumens gefüllt wird, daß danach die Gaszufuhr unterbrochen und das Gas über den mindestens einen Strömungswiderstand unter Volumenverring¬ erung des Speicherbehälters abströmen gelassen wird, daß dabei die Zeit Δ. t für die Volumenänderung des Gasspeicherbehälters zwischen vorgegebenen Volumina ode Druckdifferenzen Δp ge¬ messen wird und daß der Volumenstrom und die gesuchte Gas¬ eigenschaft aus der gemessenen Zeit Δt, sowie der Volumenän¬ derung bzw. der der Volumenänderung zugeordneten Änderung der Druckdifferenz Δ p( t) bestimmt wird. Die e findungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein sein Volumen in Abhängigkeit von Druckdifferenzen zwischen seinem Innenraum und seiner Umgebungsatmosphäre ändernder Gasspeicherbehälter über einen absperrbaren Gaseinlaß füllbar und an mindestens

einen Strömungswiderstand angebunden ist und daß eine in Ab¬ hängigkeit von vorgegebenen Volumina des Gasspeicherbehälters oder Druckdifferenzen ein- und ausschaltbare Zeitmeßvorrich¬ tung vorgesehen ist.

Durch die Erfindung wird es möglich, die Messung der Dichte, der dynamischen Viskosität und bestimmter mit diesen Größen korrelierter Eigenschaften von Gasen, insbesondere Brenngasen, auf eine einfache Zeitmessung zu reduzieren. Hierzu ist weder eine aufwendige Vorrichtung zum Konstanthalten des Volumen¬ stromes oder der Druckdifferenzen über den Strömungswiderstän¬ den erforderlich, noch bedarf es weiterer Meßwerte. Allenfalls werden für etwaige Korrelationen die thermodynamischen Zu- standsgrößen P und T erfaßt. Das Bauvolumen der Meßvorrichtung kann vergleichsweise klein gehalten werden. Es sind nur kleine Gasvolumina in der Größenordnung einiger cm erforderlich, so daß die Meßzeiten unterhalb einer Sekunde liegen können und die für die Messung abgezweigte Gasmenge nicht in die Haupt¬ gasleitung zurückgeführt zu werden braucht.

Die Erfindung basiert demnach auf dem Grundgedanken, die Mes¬ sung diskontinuierlich durchzuführen, einem aktiven Volumen¬ strom-Dosierelement geeignete Strömungswiderstände nachzu¬ schalten und die Zeit, die ein bestimmtes Gasvolumen zum Pas¬ sieren des jeweiligen Strömungswiderstandes benötigt, zu mes¬ sen sowie aus der Zeitmessung und der zuvor durch Kalibrierung bestimmten Arbeitskennlinie des Volumenstrom-Dosierelementes die zu messende Größe zu errechnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der das Volumenstrom-Dosierelement bildende Gasspeicherbehälter eine sogenannte Kapselfeder; diese zeichnet sich durch ein besonders gut reproduzierbares elastomechanisches Verhalten aus und ermöglicht die problemlose und genaue Zuordnung von

Volumenänderungen und Druckdifferenzen zu einem bestimmten Volumenstrom V.

In alternativer Ausführungsform kann der Gasspeicherbehälter auch als federbelasteter Balg, federbelastete Kolben-Zylinder¬ vorrichtung oder als anderes Ausdehnungsgefäß ausgebildet sein, dessen Volumenänderung durch einen geeigneten Wegaufneh¬ mer erfaßt werden kann bzw. dessen in geeigneter Weise erfaßte Differenzdruckänderung sich reproduzierbar einem bestimmten Volumenstrom zuordnen läßt.

Eine wesentliche Erhöhung der Meßgenauigkeit läßt sich sowohl bei der Dichtemessung als auch bei der Viskositätsmessung in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch errei¬ chen, daß zu untersuchendes Gas aus dem Gasspeicherbehälter in zeitlich versetzten Meßphasen einem Dichtesensor (Blende) und einem Viskositätssensor (Kapillare) zugeführt wird und für die Dichte und die Viskosität repräsentative Meßwerte aufgenommen werden, wobei ein begrenzter Viskositätseinfluß auf den Dich¬ tesensor und ein begrenzter Dichteeinfluß auf den Viskositäts¬ sensor zugelassen werden, und daß die aus diesen Einflüssen resultierenden Meßfehler der aufgenommenen Meßwerte rechne¬ risch korrigiert werden. Der vorzugsweise als Blende ausgebil¬ dete Dichtesensσr braucht bei dieser Weiterbildung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens nicht mehr so exakt ausgelegt zu wer¬ den, daß mit der Blende selektiv die Dichte gemessen wird. Ebensowenig braucht der als Kapillare ausgebildete Viskosi¬ tätssensor so exakt ausgelegt zu werden, daß selektiv die Viskosität gemessen wird. Es kann beispielsweise eine kürzere Kapillarenlänge zugelassen werden. Mit Hilfe de _^ ohnehin bei Meßverfahren und Meßvorrichtungen der erfindungsgemäßen Art eingesetzten Mikroprozessoren und Speicher können sehr genaue Meßergebnisse erzielt und die systematischen Meßfehler weitge¬ hend eliminiert werden.

Die rechnerische Korrektur erfolgt vorzugsweise iterativ. Zu diesem Zweck wird jeder Meßwert zunächst als näherungsweiser Startwert für einen ersten Iterationsschritt benutzt und aus dem Iterationsergebnis ein korrigierter Startwert für einen zweiten Iterationsschritt abgeleitet. Die Iteration wird da¬ nach solange fortgesetzt, bis die relative Abweichung zwischen aufeinanderfolgenden Iterationsschritten (N und N-1 ) kleiner als ein vorgegebener und gespeicherter Genauigkeitsgrenzwert ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes, die insbesondere eine exakte und automatisch wiederholt durchführ¬ bare Messung und Meßwertauswertung gewährleisten, sind in weiteren Ansprüchen enthalten.

Die vorgenannten, erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile bzw. Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formge¬ staltung, Materialauswahl und technischen Konzeption bzw. ihren Verfahrensbedingungen keinen besonderen Ausnahmebedin¬ gungen, so daß die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekann¬ ten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungs¬ form der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Meßvorrichtung zum Messen der Dichte und dynamischen Viskosi¬ tät und damit korrelierter Eigenschaften von Gas in schematischer Darstellung;

Fig. 2 für die Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 ein Weg-

/Zeit-Diagramm mit Schaltpunkten für die Zeit¬ messung über einen vollen Meßzyklus; und

Fig. 3 ein ähnliches Weg/Zeit-Diagramm des Zeitver¬ haltens einer in der Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellten Kapselfeder bei Verwendung als Gasspeicherbehälter für verschiedene Gase.

Die Meßvorrichtung gemäß Figur 1 weist einen durch ein Ventil 1 absperrbaren Gaseinlaß 2 in Form einer von einer Gasversor¬ gungsleitung 3 abzweigenden Gaszuführleitung auf. Der absperr¬ bare Gaseinlaß 2 ist mit einem als Kapselfeder ausgebildeten Gasspeicherbehälter 4 über Rohrleitungen 5 _r 6 fluidisch ver¬ bunden.

Die Kapselfeder zeichnet sich durch ein sehr gut reproduzier¬ bares Differenzdruck/Weg-Verhalten aus: Zwischen der Ausdeh¬ nung (Hub s) der Kapselfeder und der Druckdifferenz Δp zwi¬ schen dem Innenraum 7 der Kapselfeder und der ümgebungsatmo¬ sphare außerhalb der Kapselfeder besteht eine exakte Bezie¬ hung; der Hub s ist somit eine eindeutige Funktion der Druck¬ differenz Δ. p. Aufgrund dieses funktionalen Zusammenhangs ist es möglich, die Druckdifferenzmessung zwischen dem Innenraum 7 des Gasspeicherbehälters 4 (Kapselfeder) und der Umgebungs¬ atmosphäre durch eine Messung des Hubes s zu ersetzen, der auf den differenzdrucklosen Ruhezustand des Gasspeicherbehälters bezogen ist.

Die Kapselfeder 4 besteht aus einem flachen, geschlossenen Behälter, insbesondere aus Metall, dessen kreisrunde Boden- und Deckelflächen durch gewellte Membranen gebildet sind. Die Gaszuführung in den Innenraum 7 der Kapselfeder erfolgt bevor¬ zugt über einen einzigen ortsfesten Anschluß in Form einer als

Gaszufuhr- und Gasabführleitung dienenden Rohrleitung 6, die in der Mitte einer Kapselmembran mündet. Hierdurch wird ein maximaler Hub s eines der ortsfesten Rohrleitung 6 diametral gegenüberliegenden Hubzeigers 8 entlang einer ortsfesten Hub¬ skala 9 erreicht. Anstelle einer mechanischen, ablesbaren Hubanzeige kann auch eine elektrisch, optisch oder in sonsti¬ ger Weise abgreifbare Hubanzeige vorgesehen sein. Bei vorein¬ stellbaren Hüben s., s- ... ist die Hubskala 9 mit Schalt¬ punkten 10 derart versehen, daß bei deren Erreichen durch den Hubzeiger 8 eine Zeitmessung durch eine zugeordnete Zeitme߬ vorrichtung 11 begonnen bzw. beendet wird.

über die Rohrleitung 6 und eine anschließende Rohrleitung 12 sowie davon abzweigende Rohrleitungen 13 und 14 ist der Gas¬ speicherbehälter 4 mit zwei Strömungswiderständen 15, 16 flui- disch verbunden. Diesen Strömungswiderständen sind Ventile 17, 18, insbesondere Absperrventile nachgeordnet, welche als ab¬ sperrbarer Gasaüslaß dienen, durch die das zu messende Gas ohne wesentlichen Druckverlust ausströmen kann, so daß es sich bereits unmittelbar hinter den Strömungswiderständen auf atmo¬ sphärischem Umgebungsdruck befindet. Bei dem Ausführungsbe- spiel gemäß Figur 1 befinden sich der Gasspeicherbehälter 4, die Leitungen 5, 6, 12 - 14, die Strömungswiderstände 15, 16 und die Ventile 1 , 17, 18 innerhalb eines thermostatisierten Gehäuses 19. In dem Gehäuse 19 ist ein Temperaturfühler 20 für eine Temperaturregelung oder, falls die Thermostatisierung entfällt, für eine rechnerische Temperaturkompensation ange¬ ordnet. Ein Druckau nehmer 21, der dem Temperaturfühler 20 eng benachbart im Gehäuse 19 angeordnet ist, mißt den Umgebungs¬ druck des Gasspeicherbehälters 4 und ermöglicht eine rechneri¬ sche Druckkompensation bei der Verarbeitung des Meßwertes.

Bei dem Strömungswiderstand 16 (Laminarwiderstand) handelt es sich um eine Kapillare mit bekannter Geometrie, für die die

dynamische Viskosität 9? bekanntlich proportional zum Druck¬ abfall AP-, in der Kapillare und umgekehrt proportional zum Volumenstrom V durch die Kapillare ist, sofern die Strömung laminar ist (Hagen-Poiseuille-Gesetz) .

V. ρ>

V (D

Der andere Strömungswiderstand (Turbulenzwiderstand) 15 ist eine dünnwandige Lochblende. Statt einer solchen Lochblende kann auch ein anderes als Turbulenzwiderstand dienendes Dros¬ selorgan verwendet werden, für das die Dichte in einem be¬ grenzten Reynolds-Zahlenbereich proportional zum Druckabfall

-Δ.p, und umgekehrt proportional zum Quadrat des Volumen-

»2

Stromes (V ) ist• (Energieerhaltungsgesetz) .

Λ

£ y2 (2)

Die erforderliche Messung von Δp, und V einerseits und von Δp. und V ^• 2 andererse ⁱ ts erfolgt erfindungsgemäß aus¬ schließlich auf der E _^ sis der Zeit, die ein bestimmtes Volumen des in dem Speicherbehälter 4 gespeicherten Gases bei ge¬ schlossenem Ventil 1 benötigt, um über einen der beiden Strö- mungswiderstände 15 oder 16 abzuströmen. Dieses Volumen wird durch den Hub s zwischen zwei Schaltpunkten 10 festgelegt. Diese Vorgehensweise ist möglich, weil für den Gasspeicherbe¬ hälter 4 eine eindeutige Abhängigkeit zwischen seinem Ausdeh¬ nungsvolumen V und der Druckdifferenz ΔP zwischen dem Innen¬ raum 7 und der Umgebungsatmosphäre besteht: V(Δp). Diese

Abhängigkeit wird für den Gasspeicherbehälter innerhalb der Meßvorrichtung durch Kalibrierung mit einem geeigneten Eichgas bekannter Eigenschaften ermittelt und vorzugsweise in einem Rechengerät, z. B. einem Mikroprozessor abgespeichert, bevor der Meßzyklus beginnt.

Aus dem funktionalen Zusammenhang V ( P) kann die zeitliche Änderung des Ausdehnungsvolumens V, nämlich der Volumenstrom V, abgeleitet werden:

Darin ist dV/dΔp eine aus der vorerwähnten Kennlinie des Gasspeicherbehälters abgeleitete Funktion, die für die spezi¬ elle Bauart des Gasspeicherbehälters eine spezifische Größe ist .

A-us den Gleichungen (1) und (3) bzw. (2) und (3) erkennt man, daß der zeitliche Verlauf der Differenzdruckänderung: Δp(t) nur durch die dynamische Viskosität bestimmt wird (wenn ein Laminarwiderstand verwendet wird) bzw. nur durch die Dichte (wenn ein Turbulenzwiderstand verwendet wird) .

In Figur 3 ist die zeitliche Änderung des Differenzdruckes Δ p mit den Stoffgrößen V bzw. als Parameter qualitativ darge¬ stellt - und zwar für den Fall, daß der vollständig gefüllte Gasspeicherbehälter sich aufgrund seiner Federelastizität ohne Unterbrechung über einen der Strömungswiderstände 15 oder 16 entleert. Die Zeitdifferenz Δt bei einem Ausströmungsvorgang zwischen zwei vorgegebenen Hubmarkierungen s . und s- (ent¬ sprechend den Differenzdruckwerten Δp. und Λp ist dann

ein Maß für die dynamische Viskosität bzw. die Wurzel aus der Dichte des verwendeten Gases. Zwecks Erzielung möglichst exak¬ ter Meßergebnisse werden die Schaltpunkte, zwischen denen eine Zeitmessung erfolgt, so gewählt, daß der zeitliche Verlauf Ap(t) zwischen diesen beiden Schaltpunkten möglichst linear ist.

Wenn für die Ermittlung des Brennwertes Ho von Gasen sowohl deren dynamische Viskosität als auch deren Dichte gemessen werden sollen, werden erfindungsgemäß die beiden Strömungswi¬ derstände 15 und 16 während eines einzigen Meßzyklus bzw. während eines einzigen AusströmungsVorganges, zeitlich nach¬ einander und getrennt voneinander mit dem zu untersuchenden Gas beaufschlagt. Bevorzugt wird zunächst die Dichte-Messung und erst nachfolgend die Messung der dynamischen Viskosität vorgenommen. Dadurch erfolgt die Dichte-Messung im Bereich relativ höherer Druckdifferenzen, so daß dabei eine möglichst kleine Änderung der Reynoldszahl während des Meßzeitraumes erreicht wird. Entsprechend wird dann die Messung der dynami¬ schen Viskosität bei relativ kleinen Reynoldszahlen, also im Bereich relativ kleiner Druckdifferenzen vorgenommen. Durch das Messen beider Größen, sowohl der dynamischen Viskosität als auch der Dichte, während eines einzigen Ausströmvorganges des Gasspeicherbehälters, wird sichergestellt, daß beide Grö߬ en an demselben zuvor im Gasspeicherbehäl er 4 gespeicherten Gas ermittelt werden.

Aus den beiden Meßwerten können dann in bekannter Weise, wie im einzelnen in der EP-OS 0 022 493 beschrieben, abhängige Größen, wie der Brennwert H von Gasen nach einer Korrela¬ tionsfunktion, z. B. H _Q ( f j ^ ) ermittelt werden. Für die Ermittlung des Wobbe-Indexes W _Q ist in erster Näherung nur die Messung der dynamischen Viskosität erforderlich.

Um neben den Normwerten die Betriebwerte für^,^ , H W ermitteln zu können, ist es notwendig, zusätzlich die Tempe¬ ratur T und den Druck P des Meßgases an dessen Entnahmestelle (Temperatur- und Druckaufnahmer 26 in Gasversorgungsleitung 3) zu erfassen, um die gewünschte Umrechnung durchführen zu kön¬ nen.

Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, kann eine Kalibrierung der Meßsignale mittels eines Prüfgases, z.B. CH . , in je nach Bedarf mehr oder weniger kurzen Zeitabständen erfolgen.

Der Fülldruck des Gaspeicherbehälters wird durch geeignetes Öffnen und Schließen des Ventils 1 begrenzt. Dies kann mit Hilfe eines entsprechend gewählten Schaltpunktes - Schaltpunkt s. gemäß Figuren 1 und 2 - an der Hub-Markierung 9 unter Zuhilfenahme einer Steuereinheit 22 erfolgen. Die Steuerein¬ heit 22 ist entsprechend für die Betätigung alle _, r Ventile, der Zeitmeßvorrichtung 11 sowie eines Mikroprozessors 23 in Ver¬ bindung mit dem Hub s des Gasspeicherbehälters 4 und den Schaltpunkten 10 vorgesehen. Die Steuereinheit 22 kann auch Bestandteil Rechengeräts bzw. Mikroprozessors 23 sein. 'Glei¬ ches gilt für die Zeitmeßvorrichtung 11.

Die Strömungswiderstände 15 und 16 werden beim Füllen des Gasspeicherbehälters 4 ebenfalls mit dem Fülldruck beauf¬ schlagt, um eine Beschleunigung des Meßvorganges zu erreichen. Der Fülldruck - und entsprechend der dadurch erzielte Diffe¬ renzdruck - sollte möglichst klein sein, zum Beispiel nur einige mbar (hPa), um Kompressibilitätseffekte bei dem Aus¬ strömvorgang auszuschließen und den Bereich kleiner Reynolds- zahlen einhalten zu können.

Schließlich sollten die Schaltpunkte 10 derart gewählt werden, daß die Meßzeiten beim Durchströmen der Strömungswiderstände

etwa gleich groß sind. Damit wird die Meßgenauigkeit der Zeit¬ messung für beide Meßgrößen gleich gewichtet.

Im übrigen werden die Schaltpunkte 10 so gewählt, daß die Gasströmung durch die Strδmungswiderstände zunächst einen quasistationären Zustand erreicht, bevor die Zeitmessung aus¬ gelöst wird. Dies ist im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich. Die sogenannten "Einlauf"-Zeiten werden also nicht in die Zeitmes¬ sung einbezogen, weil es sich bei dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren um ein diskontinuierliches Verfahren handelt, bei dem die Messung der Gaseigenschaften in jedem Meßzyklus an einem dosierten Gasvolumen durchgeführt wird.

Im folgenden werden das Verfahren zum Messen von Gaseigen¬ schaften sowie die Funktionsweise der MeßVorrichtung gemäß Figur 1 unter Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben. Vor Beginn zumindest des ersten Meßzyklus wird die Meßvorrichtung und damit insbesondere die Charakteristik des als Kapselfeder ausgebildten Gasspeicherbehälters 4 mit einem Prüfgas bekann¬ ter Eigenschaften kalibriert. Die entsprechenden Eichwerte sind oder werden im Rechengerät 23 gespeichert. Zu Beginn eines Arbeitszyklus sollte insbesondere der Gasspeicherbehäl¬ ter 4 möglichst weitgehend von Restgasen aus vorhergehenden Arbeitszyklen (Meß-, Prüf- oder Spülgasen) frei sein. Zu die¬ sem Zweck sollten die Membranen der dargestellten Kapselfeder 4 zur Minimierung des Innenraums 7 möglichst eng aufeinander- liegen und das Volumen der Anschlußleitung 6 durch kurze Lei¬ tungsbemessung minimiert sein. Zu Beginn des Meßzyklus ist der Differenzdruck im wesentlichen gleich Null. Nach Öffnen des Ventils 1 wird das zu untersuchende Gas über den Einlaß 2 in die Meßvorrichtung eingeleitet, bis der gewünschte Fülldruck erreicht ist, der Gasspeicherbehälter 4 also soweit ausgedehnt ist, daß der Hubzeiger 8 den Schaltpunkt s. erreicht. Die den Strömungswiderständen 15 und 16 zugeordneten. Ventile 17

und 18 und das Ventil 24 sind dabei entweder geschlossen, damit sich der Solldruck rasch im Gasspeicherbehälter 4 auf¬ baut, oder zum Spülen wenigstens teilweise geöffnet. Danach wird zumindest das Zulaufventil 1 geschlossen (bei vorher¬ gehender Öffnung werden auch die Ventile 18 und 24 geschlos¬ sen), und das Ventil 17 wird geöffnet, um das im Meßsystem, insbesondere im Gasspeicherbehälter 4 gespeicherte Gas über die Leitung 13 und den St ömungswiderstand 15 abfließen zu lassen, bis der Hubzeiger 8 den Schaltpunkt 3 erreicht hat. Wie aus Figur 2 zu sehen ist, beginnt die Zeitmessung, wenn der Hubzeiger 8 den Schaltpunkt s_ erreicht hat, und sie endet, wenn der Hubzeiger 8 den Schaltpunkt s, erreicht hat. Am Schaltpunkt s., wird das Ventil 17 geschlossen und das Ventil 18 geöffnet, so daß danach das zu untersuchende Gas über die Kapillare 16 und das Ventil 18 abströmen kann. Sobald der Schaltpunkt s. erreicht ist, beginnt die Zeltmessung ( ^" für die Messung der dynamischen Viskosität), ^' die beim Errei¬ chen des Schaltpunktes s, beendet- wird. Während der "Ein- lauf'-Zeiten zwischen den Schaltpunkten S: und s_ bzw. s., und s. stellt sich die für Messungen (zwischen den Schaltpunkten s_ und s, bzw. s. und s erwünschte quasi-stationäre Strömung ein. Bei Erreichen des Schaltpunktes s- schließt das Ventil 18, und das Ventil 24 wird geöffnet, so daß sich der an dem Gasspeicherbehälter 4 anstehende Dif¬ ferenzdruck auf Null abbauen kann, bevor beim Erreichen des Schaltpunktes s _fi ein neuer Meßzyklus eingeleitet wird.

Bei der zuvor beschriebenen Messung von Dichte und Viskosität brauchen die als Sensoren dienende Blende 15 und Kapillare 16 nicht so ausgelegt zu werden, daß die Blende selektiv die Dichte und die Kapillare selektiv die Viskosität mißt. Es kann vielmehr ein begrenzter Dichteeinfluß bei der Viskositätsmes¬ sung und ein begrenzter Viskositätseinfluß bei der Dichtemes¬ sung zugelassen werden. Der sich dadurch ergebende systemati-

sehe Fehler kann mit Hilfe des Rechners bzw. Prozessors 22 rechnerisch, insbesondere durch Iteration korrigiert werden. Dadurch wird die Auslegung der zugehörigen Sensoren 15 und 16 vereinfacht und die Meßeinrichtung insgesamt kompakter. Die Korrektur der systematischen Fehler kann gerade bei iterativem Verfahren beliebig genau durchgeführt werden, da der Rechner nach Durchführung der Meßzyklen die Iterationsschritte solange fortsetzen, bis die relativen Abweichungen praktisch ver¬ schwinden.

Zur Korrektur des systematischen Fehlers bei der Dichtemessung wird in den dem Rechner 22 zugeordneten Speicher eine Kennli¬ nie o (Re) eingegeben, wobei o die Durchflußzahl und Re die Reynoldszahl bedeutet. Die Reynoldszahl ist wie folgt defi¬ niert:

9-C-L «. - (4)

Hierbei ist C die charakteristische Strömungsgeschwindigkeit und L die charakteristische Blendenabmessung.

Für die Lochblende gilt:

Somit ergibt sich für die Reynoldszahl

(6)

7

Bei Eichung mit einem Eichgas (z.B. CH. ) in einem Laborme߬ system, wobei sowohl das Druckdifferenzverhältnis als auch das Lochblendenverhältnis 1 sind, erhält man:

In einem ersten Iterationsschritt kann mit Hilfe der Meßwerte

^Q /θ _C ιι ^un< 3 'V/Vc-ti ein erster Näherungswert für Re/Re,_ _u ermittelt werden.

Λ

Bei der bekannten Lochblenden-Kennlinie, die im Speicher ge¬ speichert ist

Näherungswert

Iterationssch den Beziehung

Hierbei sind O / <? _CH H ~ korrigier¬ ter Meßwert nach 1. Iterationsschritt. Mit diesem korrigierten Wert können dann in einem zweiten Interationsschritt die Werte zweiter Näherung für Re/Re , ^und / Qc- * bestimmt werden. Die Iterationsschritte werden in gleicher Weise zur Eliminierung des systematischen Meßfehlers durch den Durchflußbeiwe t r*. solange rechnerisch fortgesetzt, bis die relative Abweichung von einem (N-1) zum nächstfolgenden Itera¬ tionsschritt (N) einen im Rechner bzw. im zugehörigen Speicher gespeicherten Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise braucht die Lochblende nicht mit exakt konstantem Durchflu߬ beiwert ex über einen weiten Reynoldszahlbereich ausgelegt zu werden, sondern es kann ein begrenzter Viskositätseinfluß

zugelassen werden, dessen systematischer Fehler durch die zuvor beschriebene Verfahrensweise iterativ korrigiert wird.

Mit Hilfe der Meßgrößen (p und ^ kann auch der O-Einfluß auf die Kapillarenströmung durch Iteration rechnerisch korrigiert werden.

Die Strömung durch Kapillaren wird nur dann ausreichend genau nach dem Hagen-Poiseuille-Gesetz beschrieben, wenn weitere Einflüsse, insbesondere diejenigen der Dichte, vergleichsweise gering sind. Solche Einflüsse entstehen bei den Strömungsvor¬ gängen im Einlauf und Auslauf der Kapillaren. Im Einlauf ist einerseits eine Druckdifferenz zur Beschleunigung der Strömung auf die Geschwindigkeit im engen Querschnitt der Kapillaren und andererseits eine etwas größere Druckdifferenz zur Ausbil¬ dung des parabelförmigen laminaren Strömungsprofiles erforder- licfh. Im Auslauf der Kapillaren werden diese Druckdifferenzen ^• in der Regel nicht kompensiert. Diese Druckdifferenzen werden neben den vorgegebenen geometrischen Verhältnissen nur noch von der Gasdichte beeinflußt. Nach der Literatur gilt für die Dichte-abhängige Einlaufdruckdifferenz:

nach Hagen-Poiseuille gilt für die viskositätsabhängige Druck¬ differenz in der Kapillare mit kreisrundem Querschnit t :

P - 31- ⁽ C- γ/d )(v-/A) ( 1 0 )

Damit für den gesamten Druckabfall in der Kapillaren

die für die Viskositätsmessung gewünschte Proportionali¬ tät 71 '" Ap/V gilt, muß & 7) sein. Diese Bedingung ist erfüllt für

P _? _ lAS ^■ - ^• (- r) « Λ (12)

^• P7 31 A

Aus (10) ergibt sich:

Zur iterativen Korrektur des Dichteeinfluss.es auf die Viskosi¬ tätsmessung geht man von folgenden Startwerten aus:

, gewonnen aus der Dichtemessung des vorangegangenen Meßzy¬ klus

γj ⁽ -° ⁾ aus dem vorangegangenen Meßzyklus ohne rechnerische Kor¬ rektur des Dichteeinflusses

( ) ^Δ _<h - P ⁼ mittlere Druckdifferenz während des -Meßzyklus

(Kapselfeder-Kenngröße)

mit der Zahl der Iterationsschritte N — 1 wird in jedem Itera¬ tionsschritt wie folgt vorgegangen:

D iese Iteration wird solange durchgeführt , bis die relative Abweichung in

einen vorgegebenen Genauigkeitsgrenzwert ζ.» unterschreitet.

Wie oben gesagt, werden sowohl die Meßwerte der Dichte und Viskosität als auch die für die Iteration benötigten Startwer¬ te und Iterationsergebnisse in einem in der Zeichnung nicht gesondert dargestellten , jedoch dem Rechner 22 zugeordneten Speicher gespeichert.

Das oben erwähnte Kalibrieren kann in der Praxis dadurch er¬ folgen, daß man für ein Prüfgas bekannter Gaseigenschaften die Meßvorrichtung derart einstellt, daß sich bestimmte Sollzeiten in den Zeitmeßphasen zwischen den o.g. Schaltpunkten s_ und s_ bzw. s. und s ergeben. In den nachfolgenden Meßzy¬ klen sind die zwischen d - Schaltpunkten ermittelten Istzeiten ein Maß für die gesuchten Gaseigenschaften.

Alle Ventile, insbesondere aber die Ventile 17 und 18 sollten schnell-schließend und öffnend ausgebildet sein, um Totzeiten zu vermeiden bzw. zu minimieren. Die Ventile bzw. deren An¬ triebe sollten ohne Eigenerwärmung arbeiten und extrem dicht schließen, um Meßwertverfälschungen zu vermeiden. Alle Ventile sind in vibrationsarmer Ausführung vorgesehen, um eine Beein¬ flussung der Kapselfederkennlinie zu vermeiden. Die Werkstoffe der mit dem zu untersuchenden Gas in Berührung kommenden Kom¬ ponenten der Meßvorrichtung gemäß Figur 1 sind so gewählt, daß sie die in Betracht kommenden Meßgase nicht absorbieren.

Die erfindungsgemäß für die Messung von Gaseigenschaften vor¬ gesehene Zeiterfassung zeichnet sich durch eine im Vergleich zu anderen Meßgrößen hohe Auflösung aus.