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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leckrate eines
geschlossenen Gassystems, welchem über eine Gaszufuhr Gas zugeführt wird,
wobei die Gaszufuhr abgesperrt und anschließend zwei Druckabfallmessungen
durchgeführt
werden, wobei bei einer Messung ein Druckabfall im bestehenden Gassystem
gemessen wird und für
eine andere Messung dem Gassystem ein vorbestimmter Vergleichsvolumenstrom
entnommen und gleichzeitig der Druckabfall des Gassystems gemessen
wird, worauf aus beiden gemessenen Druckabfällen der Leckvolumenstrom bestimmt
wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Für die sicherheitstechnische
Beurteilung von technischen Gasanlagen (Behälter, Rohrleitungen und dgl.)
muss vielfach die Dichtigkeit der Anlage bzw. des Systems beurteilt
werden. Zu diesem Zweck hat es sich als sinnvoll herausgestellt,
den Volumenstrom (= Leckrate) eines ggf. vorhandenen Lecks zu bestimmen.
Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt, die sich im apparativen
Aufwand stark unterscheiden.
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Bei
der Konstantdruckmethode wird mittels einer Gasquelle, die Gas mit
einem konstanten Druck zur Verfügung
stellt, soviel Gas in das System geleitet, wie durch das Leck verlorengeht.
Mit einem entsprechenden Sensor wird der Volumenstrom des nachgelieferten
Gases gemessen. Besonders nachteilig an diesem Verfahren ist der
relativ hohe Aufwand für
den Einbau des Sensors. Häufig
muss dafür
die Gaszufuhrleitung des Systems demontiert und der Sensor bzw.
das Messgerät
adaptiert werden.
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Bei
der Druckabfallmethode wird die Gaszufuhr zum System geschlossen
und der durch das Leck hervorgerufene Druckabfall gemessen. Dazu
wird an beliebiger Stelle des Systems ein Druckmessgerät angeschlossen,
mit dem der Druckabfall gemessen werden kann. Dieses Verfahren ist
z. B. in dem DVGW-Arbeitsblatt G 624 beschrieben und für die Beurteilung
von Leckraten in Erdgas-Versorgungssystemen zugelassen.
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Um
aus dem gemessenen Druckabfall den Leckvolumenstrom bestimmen zu
können,
ist es allerdings erforderlich, das Volumen des Gassystems zu kennen.
In vielen Fällen
ist es jedoch sehr aufwändig,
ungenau oder sogar unmöglich,
das Volumen zu ermitteln, es kann häufig nur abgeschätzt werden,
was zu ungenauen Ergebnissen führt.
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Um
ohne Kenntnis des Volumens des Gassystems eine Leckrate eines geschlossenen
Gassystems bestimmen zu können,
ist aus
DE 199 42
185 A1 bereits ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des
Patentanspruches 1 bekannt geworden. Bei diesem Verfahren werden
zwei Messungen des Druckabfalls durchgeführt, wobei bei einer Messung
dem System gezielt über
ein Vergleichsleck ein vorbestimmter und somit bekannter Vergleichsvolumenstrom
entnommen wird. Damit werden zwei Druckabfallwerte bestimmt, einmal
bei normalem geschlossenen Gassystem und bei der anderen Messung
mit dem zusätzlichen
Vergleichsleck. Aus diesen beiden Messergebnissen kann nun, ohne
das Volumen des Gassystems kennen zu müssen, der gesuchte Leckvolumenstrom
grundsätzlich
bestimmt werden. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass
ein solches Verfahren nicht zuverlässig arbeitet, da es zu ungenaue
Messergebnisse mit Fehlern in einer Größenordnung bis zu 25% liefert.
Dieses Verfahren hat sich deshalb auch bisher in der Praxis mangels
Genauigkeit nicht durchgesetzt.
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Ein
weiteres Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches
1 ist aus
US 6,116,082
A bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung
so zu verbessern, dass eine möglichst
genaue Leckratenbestimmung möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass vor der Bestimmung des Leckvolumenstromes die beiden gemessenen
Druckabfälle
unter Berücksichtigung
der durch die während
der Gasentnahmen bei den beiden Druckabfallmessungen bedingten Gastemperaturreduzierungen
hervorgerufenen zusätzlichen
Druckabfälle
korrigiert werden, wobei die durch die Gastemperaturreduzierungen
hervorgerufenen zusätzlichen
Druckabfälle
mit Hilfe der Zustandsgleichung für adiabatische Zustandsänderungen
ermittelt werden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass bei der Druckabfallmethode für die Leckmessung
methodisch bedingte Fehler auftreten, die für die korrekte Ermittlung des
Messergebnisses korrigiert werden müssen. Die wichtigste Fehlerquelle
ist dabei der Dekompressionseffekt. Bei einem Druckabfall wird nämlich dem
Gas Energie entzogen. Dieser Energieentzug führt zu einer Abkühlung des
Gases. Durch diese Abkühlung
verstärkt
sich der Druckabfall, da nicht nur die reduzierte Stoffmenge, sondern
auch die reduzierte Temperatur zu einem Druckabfall führt. Das
Energiedefizit wird zwar nach kurzer Zeit über die Wandung des Rohres
oder Behälters nachgeliefert
und die Temperatur steigt (nach dem Ende der Gasentnahme) relativ
schnell wieder auf den alten Wert. Während der Messung ist die Gasabkühlung jedoch
zu berücksichtigen.
Der Druckabfall beinhaltet also grundsätzlich einen Fehler. Bei der
Vergleichsleckmethode wird erst der Druckabfall des Lecks gemessen
und anschließend
der Druckabfall durch Leck und Vergleichsleck. Wenn bei der zweiten
Messung das Energiedefizit der ersten Messung noch nicht ausgeglichen
ist, führt
das zu einem weiteren Fehler bei der zweiten Messung. Das erfindungsgemäße Verfahren
sieht deshalb vor, diesen Dekompressionseffekt bei der Auswertung der
Messergebnisse zu berücksichtigen,
indem aus den gemessenen beiden Druckabfallwerten die allein auf das
Leck zurückzuführenden
Druckabfälle
ermittelt werden. Auf diese Weise ist es somit möglich, sozusagen, um den Temperatureffekt
bereinigte Druckabfallwerte zu erhalten, aus denen dann die gewünschte Leckrate des
geschlossenen Gassystems bestimmt werden kann.
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Zur
Berücksichtigung
dieses Temperatureffektes ist vorgesehen, dass die durch die Gastemperaturreduzierungen
hervorgerufenen zusätzlichen
Druckabfälle
mit Hilfe der Zustandsgleichung für adiabatische Zustandsänderungen
ermittelt werden. So lässt
sich aus der Zustandsgleichung für
adiabatische Zustandsänderung:
der zusätzliche Druckeffekt ermitteln
mit
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Die
rechnerische Umsetzung dieser adiabatischen Zustandsgleichung kann
z. B. numerisch erfolgen.
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Ferner
ist vorgesehen, dass bei der Korrektur der Zeitablauf der Messung
berücksichtigt
wird. Bei langer Messdauer findet ein Temperaturausgleich statt,
was zum Erhalt genauer Ergebnisse zu berücksichtigen ist. Der Korrekturwert
ist bei langer Messdauer entsprechend kleiner.
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Um
möglichst
genaue Messergebnisse zu erhalten, ist vorteilhaft vorgesehen, dass
die beiden Messungen jeweils in einem kurzen Zeitintervall bis zu
einem vorgegebenen maximalen Druckabfall durchgeführt werden,
wobei der maximale Druckabfall bevorzugt wesentlich kleiner ist
als der Überdruck
des Gassystems, beispielsweise 5 bezogen auf den aktuellen Überdruck.
Bei derart geringen Druckabfällen
sind die Messergebnisse sehr zuverlässig und die rechnerische Ermittlung
des Leckvolumenstromes ist besonders einfach durchführbar. Außerdem finden
die Messungen sehr nahe am Betriebsdruck statt und liefern deshalb
realistische Ergebnisse.
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Um
das Verfahren besonders einfach für den Anwender ausführen zu
können,
ist bevorzugt vorgesehen, dass die beiden Messungen vollautomatisch
von einer Steuereinheit durchgeführt
werden. Der Anwender muss dann lediglich die Messvorrichtung anschließen und
die Gaszufuhr des Systems absperren.
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Um
auch bei unterschiedlichen Temperaturen möglichst exakte Messergebnisse
zu erhalten, ist ferner vorteilhaft vorgesehen, dass von der Steuereinheit
eine Temperaturkompensation für
die dynamische Viskosität
durchgeführt
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass
aus den beiden Messungen das Volumen des Gassystems ermittelt wird.
Dies war bei bisher bekannten Systemen praktisch unmöglich und
man war auf Schätzungen
des Gasvolumens angewiesen. Die Messgenauigkeit des Verfahrens kann
ferner durch Kontrolle an einem bekannten leckfreien Gasvolumen überprüft werden.
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Zur
Lösung
der eingangs gestellten Aufgabe sieht die Erfindung auch eine Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 vor. Dabei
ist das z. B. rohrförmige
Durchströmungselement
strömungstechnisch
so gestaltet, dass ein geeigneter Vergleichsleckvolumenstrom realisierbar
ist.
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Dabei
ist vorzugsweise das Durchströmungselement
in das Druckmessgerät
integriert, was die Handhabung der Vorrichtung für den Anwender besonders einfach
macht.
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Zur
Durchführung
der Messungen ist bevorzugt vorgesehen, dass das Druckmessgerät eine Steuereinheit
aufweist, mit welcher die Druckabfallmessungen und die Freigabe
des Absperrelementes für
das Durchströmungselement
automatisch möglich
ist.
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Besonders
bevorzugt ist das Durchströmungselement
als Kapillare ausgebildet, da der Strömungswiderstand in einem Kapillarrohr
eine hohe Linearität über den
Differenzdruckbereich gewährleistet.
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Zweckmäßigerweise
ist eine Kalibriereinrichtung zur Kalibrierung des Durchströmungselementes
vorgesehen. Durch Nebeneffekte (Blendenwiderstand) ergeben sich
in der Praxis leicht unterschiedliche physikalische Eigenschaften
für verschiedene
Differenzdrücke,
die sich in einer druckabhängigen
Leckkonstanten berücksichtigen
lassen.
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Ferner
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in ein Abgasanalysegerät integriert
ist.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Gassystems mit Vorrichtung zur Leckratenbestimmung
und in
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2 ein
Diagramm, welches den Druckverlauf nach einem kurzen Druckabfall
zeigt.
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Ein
Gassystem ist in der Zeichnung allgemein mit 1 bezeichnet,
es kann z. B. aus einem oder mehreren Behältern und Rohrleitungen bestehen
und weist ein Gesamtvolumen V und einen Systemdruck P auf. Das Gassystem 1 beinhaltet
eine Gaszufuhrleitung 2 mit einem Absperrventil 3.
Das Gassystem 1 kann beispielsweise ein Gasbrenner einer
Gasheizung eines Ein- oder Mehrfamilienhauses mit Gaszuleitung und
Hausanschlussarmatur (Absperrventil 3) sein.
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Das
Gassystem 1 weist ein mit 4 angedeutetes Leck
auf, durch welches Gas aus dem System austreten kann. Dieses Leck
soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermittelt werden.
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Die
Vorrichtung zur Bestimung der Leckrate des Gassystems 1 weist
dazu zunächst
ein Druckmessgerät 5 auf,
welches über
eine Anschlussleitung 6 an das Gassystem 1 anschließbar ist.
Ferner weist die Vorrichtung ein vorzugsweise an dieselbe Anschlussleitung 6 an
das Gassystem 1 anschließbares Durchströmungselement 7 auf,
das bevorzugt in Form einer Kapillare bzw. eines Kapillarrohres
ausgebildet ist. Vorzugsweise am Austritt des Durchströmungselementes 7 ist
ein Absperrelement 8 angeschlossen, mit welchem der Austritt
des Durchströmungselementes 7 an
die Umgebung freigegeben oder verschlossen werden kann. Das Durchströmungselement 7 ist
so gestaltet, dass es bei geöffnetem
Absperrelement 8 einen im Wesentlichen konstanten bekannten
Gasvolumenstrom durchlässt.
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Um
ein mögliches
Leck im Gassystem zu bestimmen, wird die Vorrichtung über die
Anschlussleitung 6 an das Gassystem 1 angeschlossen.
Anschließend
wird das Absperrventil 3 geschlossen, so dass keine weitere
Gaszufuhr zum Gassystem 1 erfolgt. Nachfolgend wird bei
geschlossenem Absperrelement 8 vom Gasmessgerät 5 ein
erster Druckabfallwert bestimmt, nach Bestimmung dieses ersten Druckabfallwertes
wird das Absperrelement 8 geöffnet, so dass durch das Durchströmungselement 7 der
bekannte vorbestimmte Vergleichsgasvolumenstrom austritt. Gleichzeitig
wird vom Druckmessgerät 5 erneut
ein zweiter Druckabfallwert gemessen, der durch das möglicherweise
im System vorhandene Leck 4 sowie durch das das Durchströmungselement 7 realisierte
Vergleichsleck hervorgerufen wird.
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Um
möglichst
exakte Messergebnisse zu erhalten, werden verfahrensgemäß die Druckabfälle bei
hinreichend kleinen Druckdifferenzen in Relation zum aktuellen Überdruck
im Gassystem bestimmt. Praktikabel ist z. B. eine Begrenzung des
Druckabfalls auf höchstens
5% vom aktuellen Überdruck.
Bei hinreichend kleinen Druckdifferenzen kann nämlich der Druckabfall
Ṗ = dP/dt
durch
ermittelt werden, wobei P
1 der Überdruck
bei Beginn der Messung, P
2 der Überdruck
bei Ende der Messung und Δt
die Messzeit ist.
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Der
so ermittelte Druckabfall Ṗ ist jedoch noch fehlerbehaftet,
da der vorbeschriebene Dekompressionseffekt zu berücksichtigen
ist. Der zeitliche Verlauf des Energieaustausches zwischen dem Gas
und der Wandfläche,
z. B. der Rohrleitung, findet mit einer Zeitkonstante statt, die
von der Gasart, dem absoluten Druck und der Geometrie des Rohrquerschnittes
abhängig
ist. Sie liegt bei realen Systemen zwischen 2 und 20 sek.. Der Druckverlauf
nach einem kurzen Druckabfall ist prinzipiell in 2 dargestellt.
Gemessen wird eine tatsächliche
Druckabfallgeschwindigkeit, die mit der durchgezogenen Linie bzw.
der Kurve A bezeichnet ist. Ohne Dekompressionseffekt wäre jedoch
die korrekte Druckabfallgeschwindigkeit die gepunktete Darstellung,
d. h. die Kurve, die mit B bezeichnet ist. Die Abweichungen zwischen
den beiden Kurven A und B müssen
deshalb bei der Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt
werden, um korrekte Ergebnisse zu erhalten.
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Der
so ermittelte Druckabfall Ṗ wird deshalb entsprechend korrigiert.
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So
ergibt sich aus der adiabatischen Zustandsgleichung:
und daraus der zusätzliche
Druckeffekt mit
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Dieser
Druckeffekt ΔP
stellt somit den Korrekturwert dar, um nur den auf das Leck zurückzuführenden Druckabfall
ohne temperaturbedingten Dekompressionseffekt zu erhalten.
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Aus
dem dann unter Berücksichtigung
von ΔP ermittelten
Druckabfall Ṗ und dem Ansatz für den Volumenstrom durch ein
Leck: V .
= Pr·L 4)
- V.
- Volumenstrom durch
das Leck
- PR
- Überdruck
- L
- Leckkonstante
und abgeleitet aus der allgemeinen Gasgleichung
- V.
- Volumenstrom
- V
- Volumen
- Pa
- Absolutdruck
- Ṗ
- Druckabfall
lässt
sich die Leckrate durch das Leck x berechnen aus
- V.
x
- Volumenstrom durch
das Leck
- Lv
- Leckkonstante
- Ṗvx
- Druckabfall mit zusätzlichem
Vergleichsleck
- Ṗx
- Druckabfall mit gesuchtem
Leck
- PRvx
- Überdruck bei Messung vx
- PRx
- Überdruck bei Messung x
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Das
unbekannte Volumen kann indirekt berechnet werden mit:
- V
- Volumen des Gassystems
- Lv
- Leckkonstante des
Vergleichslecks
- Pa
- Absolutdruck im Volumen
- Ṗx
- Druckabfall mit gesuchtem
Leck
- Ṗvx
- Druckabfall bei Messung
mit Vergleichsleck
- PRx
- Überdruck bei Messung x
- PRvx
- Überdruck bei Messung mit Vergleichsleck.
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Die
Leckkonstante Lv des Vergleichslecks lässt sich
leicht mit Hilfe eines bekannten Volumens ohne Leck x kalibrieren.
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- Lv
- Leckkonstante des
Vergleichslecks
- V
- bekanntes Volumen
- Pa
- Absolutdruck im Volumen
- Ṗv
- Druckabfall nur mit
Vergleichsleck
- PRv
- Überdruck bei Messung mit Vergleichsleck
wird die Leckkonstante ermittelt und kann für die Berechnungen
der Leckrate gespeichert werden.
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Durch
Nebeneffekte (Blendenwiderstand) ergeben sich in der Praxis leicht
unterschiedliche Lv für verschiedene Differenzdrücke. Aus
diesem Grund ist es sinnvoll, die Funktion Lv =
f(PRv) beim Kalibrieren aufzunehmen und
bei der Berechnung entsprechend zu verwenden.
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Die
Leckkonstante Lv wird durch die dynamische
Viskosität
n des Gases und die Abmessungen der Kapillare bestimmt. Änderungen
von n durch die Temperatur wirken sich umgekehrt proportional auf
Lv aus. Mit Hilfe einer Temperaturmessung
an dem Vergleichsleck und der Temperaturabhängigkeit n = f(T) kann Lv korrigiert werden.
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L
v kann mit Hilfe des Verhältnisses der dynamischen Viskosität des Messgases
und des Kalibriergases für
die Verwendung mit unterschiedlichen Messgasen korrigiert werden:
- Lvx
- Leckkonstante für Messgas
x
- Lvk
- Leckkonstante für Kalibriergas
- nk
- dyn. Viskosität Kalibriergas
- nx
- Viskosität Messgas
x.