DE4206845C2

DE4206845C2 - Vorrichtung zum Bestimmen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch sowie Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE4206845C2
Application number: DE4206845A
Authority: DE
Inventors: Peter Kohlstrung
Original assignee: Rational AG
Current assignee: Rational AG
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: DE4206845A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Vorrichtung ist sowohl aus der DE-PS 2 42 704 als auch aus der DE-PS 275 084 bekannt. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwen dung einer derartigen Vorrichtung.

Üblicherweise wird der Anteil von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit Hilfe von Sensoren bestimmt, die für die entsprechenden Gase ausgelegt sind. Allerdings sind diese Sensoren ausgesprochen empfindlich gegen Verunreinigungen, zudem erfordern sie oftmals einen hohen Aufwand bei der Auswertung der Messungen. Wenn zudem in einem Bereich ho her Temperaturen gemessen werden soll, kommt eine Störan fälligkeit der Meßanordnung hinzu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß sie bei Garge räten der bekannten Art in einfacher Weise eine Dichtebe stimmung und abhängig hiervon die Ermittlung des Anteils an Wasserdampf in der Garraumatmosphäre bzw. die Regelung dieses Anteils ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs ge nannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Tei les von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Verwendung ist in Anspruch 4 angegeben.

Es ist unter anderem vorgesehen, daß in dem Gasgemisch durch einen Rotor eine Druckdifferenz in einer Strömung aufgebaut wird, diese Druckdifferenz gemessen und daraus die Dichte des Gasgemisches abgeleitet wird und die Dichte zum Bestimmen des Anteils an Wasserdampf verwendet wird.

Der Erfindung liegt die seit langem bekannte Erkenntnis zugrunde, daß die Schwierigkeiten herkömmlicher Messungen einfach dadurch überwunden werden können, daß die inter essierenden Größen nicht direkt, sondern indirekt bestimm bar sind. Dabei wird ausgenutzt, daß die Druckdifferenz in einem strömenden Gas direkt proportional zur Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches ist, sofern die übrigen Para meter der Strömung konstant gehalten werden. Ist einmal die Dichte des Gasgemisches ermittelt, so kann, wenn die Parameter des Rest-Gasgemisches bekannt sind, der Anteil der interessierenden Gaskomponente auf einfache Weise be stimmt werden.

Dazu sei angenommen, daß die Gaskomponente G1 sowie das Rest-Gasgemisch G2 jeweils für sich als ein ideales Gas zu behandeln sind, wobei im Bedarfsfall zur genauen Berech nung die jeweiligen Realgasfaktoren herangezogen werden können. Dann gilt jeweils für die einzelnen Partialdrücke p_t, p₂, da beide Bestandteile des Gasgemisches sich in dem selben Volumen V auf gleicher Temperatur befinden:

p₁ * V = m₁ * R₁ * T, (I)
p₂ * V = m₂ * R₂ * T; (II)

wobei m₁, m₂ die Massen der Bestandteile sind. Mit R₁, R₂ werden die jeweiligen Gaskonstanten bezeichnet, d. h., sie stellen für jede Gassorte bzw. jedes homogene Gasgemisch einen festen Wert dar. Damit ergibt sich der Gesamtdruck p_g des Gasgemisches zu

p_g = p₁ + p₂ (III)

beziehungsweise, unter Verwendung der Gleichung (I) und (II) und durch Ausnutzen der Definitionsgleichung für die Dichte ρ_g des Gasgemisches

ρ_g = (m₁ + m₂)/V (IV)

und der Definitionsgleichung für den Massenanteil x der Gaskomponente 1

x = m₁/(M₁ + m₂) (V)

zu

p_g = ρ_g * (x * R₁ * T + (1 - x) * R₂ * T) (VI)

woraus sich x berechnen läßt, nämlich als

Für die Auswertung ist es oftmals ausreichend, wenn der Gesamtdruck p_g und die Temperatur T als konstant angenommen werden. Dann geht als ein einziger Parameter die Druckdif ferenz in die Auswertung ein, so daß diese ausgesprochen schnell vorgenommen werden kann. Bei vielen Anwendungen wird allerdings zumindest die Temperatur ein sich ändern der oder schwankender Parameter sein.

Insbesondere um die Meßgenauigkeit einer Meßvorrichtung zu erhöhen, können der Gesamtdruck des Gasgemisches und/oder die Temperatur des Gasgemisches erfaßt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Druckdifferenz durch Erzeugen eines Wirbels in dem Gasgemisch aufgebaut.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich insbesondere auch dann einsetzen, wenn herkömmliche Bestimmungsmethoden scheitern. Oftmals stellt sich das Problem, beispielsweise den Anteil des Wasserdampfes oder seinen Partialdruck zu ermitteln, wobei das Rest-Gasgemisch dann Luft wäre. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dies sogar dann durchgeführt werden, wenn hohe Umgebungstemperaturen herr schen. Auch eine Gefahr des Ausfalls der Vorrichtung, bei spielsweise durch Verschmutzen, ist nahezu ausgeschaltet.

Dabei kann zum Erfassen des Gesamtdruckes des Gasgemisches ebenfalls ein Druckmesser vorgesehen sein.

Ferner kann es vorteilhaft sein, eine Temperaturerfas sungseinrichtung vorzusehen.

Die Einrichtung zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasge misch ist ein Rotor. Dieser erzeugt einen Wirbel, wobei die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse in radialer Richtung für die Ausbildung einer Druckdifferenz verant wortlich sind. Abgesehen von der Lage der Meßpunkte, die bevorzugt hinreichend im Inneren des Wirbels liegen sol len, ist die sich ausbildende Druckdifferenz abhängig von dem Radius des Wirbels und der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl des Rotors, so daß gegebenenfalls auch diese Größen zu erfassen und für die Auswertung bereitzustellen sind.

Oftmals sind die sich einstellenden Druckdifferenzen sehr gering. Daher ist eine geeignete Auswahl des Druckmessers besonders wichtig. So hat sich gezeigt, daß zweckmäßiger weise der Druckmesser ein Piezoquarz-Druckmesser bzw. Differenzdruckmesser ist, mit dem Drücke bis hinab zu we nigen mbar erfaßt werden können.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist zum Überwachen des Anteils an Wasserdampf in der Atmosphäre eines Garraums oder als Geber für die Steuerung bzw. Rege lung des Anteils an Wasserdampf in dem Garraum vorgesehen. Die Qualität von Koch- und Garprozessen hängt entscheidend davon ab, ob eine hinsichtlich des Wasserdampfes optimier te Atmosphäre innerhalb des Garraumes aufrechterhalten werden kann.

Erfindungsgemäß sind Hilfsschaufeln rückseitig an einer Scheibe eines ohnehin vorhandenen Gebläserades vorgesehen. Es kann dann derselbe Antrieb wie für das Gebläserad be nutzt werden, so daß keine zusätzlichen baulichen Maßnah men erforderlich sind. Es wird auch durch diese Anordnung der Hilfsschaufeln vermieden, daß die Messung unerwünsch ten und zum Teil auch unbeeinflußbaren Störungen aus dem Garraum ausgesetzt ist.

Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben wer den. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Ablaufes eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Rotor zum Erzeugen eines Wirbels und

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Querschnitts ansicht eines Gebläserades, bei dem zusätzliche Hilfsschaufeln an seiner Rückseite vorgesehen sind.

Gemäß dem Verfahrensablauf nach Fig. 1 wird zunächst der Druck an zwei Meßpunkten bestimmt, wobei die Meßpunkte innerhalb einer erzwungenen Strömung des Gasgemisches lie gen. Im allgemeinen kann davon ausgegangen werden, daß der sich einstellende Differenzdruck um so größer ist, je wei ter die Meßpunkte in Richtung der Stromlinien der Strömung voneinander beabstandet sind. Wenn man das Gasgemisch bei spielsweise aus einer Düse ausströmen läßt, so wird der Meßpunkt in der Nähe der Ausströmöffnung angeordnet sein, der zweite Meßpunkt in Hauptrichtung der Ausströmgeschwin digkeit davon entfernt. Ist die erzeugte Strömung ein Wir bel, kann ein Meßpunkt in der Nähe des Wirbelzentrums, der andere in der Nähe der Wirbelperipherie vorgesehen sein. Die Störeinflüsse für die Messung werden geringer, wenn man die beiden Meßpunkte hinreichend im Inneren des Wir bels vorsieht. Dann kann man annehmen, daß die Dichte mit Hilfe eines konstanten Radius berechnet werden kann. Aus den Drücken an den Meßpunkten wird der Differenzdruck er mittelt. Diese beiden Verfahrensschritte können auch zu sammengefaßt werden, wenn ein entsprechend empfindlicher Differenzdruckmesser, beispielsweise ein Piezoquarz-Diffe renzdruckmesser verwendet wird. Im nächsten Schritt erfolgt die Dichtebestimmung, wobei in diese gegebenen falls die Ausströmgeschwindigkeit aus der Düse, soweit diese veränderlich sein kann, beziehungsweise die Drehzahl des Rotors und die Größe des Wirbels, der von dem Rotor erzeugt wird, eingehen. Der Einschluß dieser Größen ergibt sich aus strömungstheoretischen Überlegungen, sie können formelmäßig in ein entsprechendes Kalkulationsprogramm eingearbeitet werden. Gegebenenfalls werden Gesamtdruck und Temperatur ermittelt, wobei die Erfassung der Tempera tur wegen der proportionalen Abhängigkeit zur Gasdichte wesentlich werden kann.

Aus den zur Verfügung stehenden Größen kann nunmehr der Masseanteil einer Gaskomponente oder aber auch des Rest- Gasgemisches bestimmt werden. Es ist bereits aufgezeigt worden, daß unter Zuhilfenahme dieser gemessenen bzw. be rechneten Größen auch der Partialdruck der Gaskomponente bzw. des Rest-Gasgemisches ermittelt werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für einen Rotor, der zur Erzeugung eines Wirbels dienen soll. Auf einer Platte oder Scheibe 1, die durch die Rückseite eines Ge bläserades gebildet ist, sind sechs sich von der Scheibe 1 vertikal erstreckende Hilfsschaufeln (Flügel) 2 in regel mäßigen Winkelabständen angeordnet. Die Scheibe 1 ist um eine in ihrem Zentrum angepaßte Achse drehbar. Im Bereich zwischen zwei Hilfsschaufeln (Flügeln) sind Meßpunkte 4, 5 vorgesehen, die radial voneinander beabstandet sind, wobei der Meßpunkt 4 nahe der Achse 3 und der Meßpunkt 5 nahe der Peripherie der Scheibe 1 vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht, wiederum in sche matischer Darstellung, eines Gebläserades 6 mit rückwärtig auf eine Scheibe 1 aufgebrachten Flügeln bzw. Hilfsschau feln 2, welche einen Rotor wie in Fig. 2 bilden. Die An ordnung ist gemeinsam um eine Achse 3 drehbar angeordnet.

Es hat sich gezeigt, daß für die praktische Anwendung in einem Gargerät eine Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 geeignet ist, wobei die Flügel 2 aus einem 7 mm hohen Winkelstahl bestehen. Die Anordnung dreht sich mit etwa 1470 upm, wobei ein Differenzdruck von 1 bis 2 mbar erzeugt wird, der mittels eines Piezoquarz-Differenzdruck messers erfaßt wird. Es kann in allen Temperaturbereichen gearbeitet werden. Allenfalls ist eine Hochtemperaturgren ze durch die für den Rotor und dergleichen verwendeten Materialien vorgegeben. Weitere Grenzen findet die Vor richtung, wenn der Differenzdruck nicht mehr mit einer hinreichenden Meßgenauigkeit erfaßt werden kann. Diese ist von der Rotorgeschwindigkeit abhängig, aber auch von dem verwendeten Druckmesser.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Anteils einer Gaskompo nente in einem Gasgemisch, mit einem Rotor zum Erzeugen einer Strömung in dem Gasgemisch, wenigstens einem Druck messer zum Erfassen des Druckes in dem Gasgemisch an zwei bezüglich der Drehachse des Rotors radial voneinander be abstandeten Meßpunkten definierter Lage, einer Einrichtung zum Bestimmen der Dichte des Gasgemisches als der Diffe renz der an den beiden Meßpunkten gemessenen Druckwerten sowie der Drehzahl und dem Radius des Rotors, und einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Anteils der Gaskom ponente aus der Dichte des Gasgemisches, dadurch gekenn zeichnet, daß zum Bestimmen des Anteils an Wasserdampf in der Atmosphäre eines Garraums der Rotor durch auf der Rückseite einer Scheibe (1) eines Garraum-Radialgebläse rads (6) in regelmäßigen Winkelabständen angeordnete Hilfsschaufeln (2) gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckmesser zum Erfassen des Gesamtdruckes des Gasgemisches vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Temperaturerfassungseinrichtung vor gesehen ist.

4. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Regulieren des Anteils an Wasserdampf in der Atmosphäre eines Garraums.