用于确定流动介质通过测量路段的体积流量的方法和相关的测量装置与流程

本发明涉及一种用于确定流动介质通过测量路段的体积流量的方法。

背景技术：

确定流动介质的体积流量对于很多技术应用场合是重要的。特别是可以根据这样测得的体积流量确定相关气体量的价格。这里不利的是，在已知的(特别是热式的)用于确定体积流量的方法中，根据流动介质的气体参数来确定体积流量。如果相应的方法应用于始终相同的气体或基本上不变的气体组成，则这样对气体参数加以考虑，即，要针对相应介质进行校准所使用的测量路段。但如果流动介质的类型或组成发生变化，则这种处理方式在确定体积流量时导致明显的测量误差。

由文献US 5,347,876已知一种方法，在该方法中，通过热的飞行时间(time-of-flight)原理来求得体积流量。对流动介质的气体参数的影响的补偿这里通过在静止的气体中测量热传导来确定。如果流动介质在进行中的运行中可能发生变化，则无法实现相应的处理。

文献DE 10 2012 019 657 B3提出，这样来对气体参数的影响加以考虑，即，在到热源的两个距离处测量介质的温度曲线，在所述热源上脉冲式地加热介质，此后，由第一距离处温度曲线的最大值和第二距离处温度曲线的最大值确定热传输量，特别是热扩散率。介质根据所确定的热传输量求得流动速度。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，给出一种方法，利用所述方法即使在没有预先确定介质特有的气体参数的情况下也能够精确地确定体积流量。

所述目的根据本发明通过前面所述类型的方法来实现，其中，为了与气体种类无关地去顶体积流量，执行以下步骤：

通过加热元件脉冲式地加热介质，

检测在关于加热元件首先在上游或下游相邻设置的第一温度传感器上出现温度最大值的与体积流量无关的第一时刻，

检测在第二个设置在加热元件下游的第二温度传感器上出现温度最大值的与体积流量相关的第二时刻，第二温度传感器与第一温度传感器相比与热源隔开更远，

求得第一时刻与第二时刻之间的时间差，并且

根据所述时间差确定体积流量。

根据本发明建议，与气体种类无关地根据两个时刻之间的时间差来确定体积流量，在这两个时刻，在两个不同的温度传感器上确定温度最大值。这里体积流量可以特别是由流动速度和测量路段已知的几何结构确定，所述测量路段特别是测量通道，所述介质层状地流动通过所述测量通道。这里特别是通过配设给测量路段的控制装置来进行加热元件的控制、第一和第二温度传感器的数据的检测、温度差的求取和体积流量的确定。这里，第一和第二时刻之间的时间差可以作为唯一的测量参量在确定体积流量时予以考虑。所有其他所考虑的参量、例如测量通道的尺寸和加热元件与温度传感器的距离可以在所述方法开始之前就存储在控制装置中并且可以与流动介质的种类无关地确定。

加热元件可以是基本上垂直于介质在测量路段中的主流动方向延伸的丝线。备选地，加热元件也可以是基本上点状的加热元件，就是说，是具有非常小的加热面的加热元件。脉冲式的加热特别是可以通过加热元件的几个100μs的加热时间来实现。控制装置可以提供电流脉冲，所述电流脉冲被供应给加热元件，以进行加热。

在根据本发明的方法中可以使用这样的第一温度传感器，所述第一温度传感器与加热元件隔开小于100μm、优选隔开在15μm至50μm之间、特别是在20μm至30μm之间。通过采用非常或如此靠近加热元件设置的温度传感器，温度传感器上的温度曲线基本上与流动介质的流动速度并且因此与体积流量无关，而几乎仅取决于流动介质的类型或组成，即取决于气体类型或气体混合物的组成。由于第二温度传感器与热源距离较远、优选在100μm至500μm之间，例如隔开200μm，第二温度传感器上的温度变化同时与流动介质的流动速度以及与流动介质的类型或组成相关。根据本发明利用了以下事实，即，第一和第二时刻之间的时间差在这种情况下基本上是与气体类型无关的。就是说或，在由所述时间差确定体积流量时，不必考虑流动介质的其他参数。

为了由时间差确定体积流量可以使用预先规定的校准曲线。备选地，可以使用用于由时间差确定流动速度的校准曲线和测量路段的已知尺寸，用于接下来由流动速度确定体积流量。校准曲线这里可以仅与测量路段的特性相关，而与流动介质的特性无关。就是说，可以与气体类型无关地使用相同的校准曲线。

校准曲线特别是可以实现为数值表，所述数值表存储在控制装置中。这里，对于位于数值表的两个点之间的时间差，可以对相邻的数值执行内插法、选择最近的相邻数值或采用类似方式。

对于具有不同热扩散率的气体可以采用共同的校准曲线。补充或备选地，作为介质使用气体混合物，对于具有不同氢含量的气体混合物采用共同的校准曲线。对于多个不同的气体和/或气体混合物也可以使用共同的校准曲线。特别是可以对于所有气体和气体混合物使用共同的校准曲线。

在根据本发明的方法中，可以根据加热时刻与检测到的第一时刻之间的时间间隔确定一个气体参数。确定该气体参数可以与其他测量值无关地进行。补充地或备选地，可以根据加热时刻与检测到的第一时刻之间的所述时间间隔区分两种气体类型或确定气体混合物中确定气体的比例。

在根据本发明方法中，可以根据第一温度传感器上温度最大值处的温度测量值和第二温度传感器上温度最大值处的温度值确定另一个气体参数。这里所述另一个气体参数特别是可以与其他测量值无关地确定。备选地，所述另一个气体参数附加地根据由加热时刻与检测到的第一时刻之间的时间间隔确定的气体参数或根据时间间隔本身确定。特别是可以确定导热率作为另一个气体参数。如果按如上所述方式确定一个气体参数和另一个气体参数，特别是可以唯一地确定构成流动介质的气体或气体混合物的组成。

此外，本发明还涉及一种用于确定气体的体积流量的测量装置，包括带有加热元件的测量路段、关于加热装置在上游或下游相邻设置的第一温度传感器和设置在加热元件下游的第二温度传感器，第二温度传感器与第一温度传感器相比与加热元件隔开更远，并且测量装置构造成用于执行根据本发明的方法。所述测量装置可以包括控制装置，所述控制装置构造成用于控制对加热元件的供电、用于检测温度传感器的温度值和用于处理测量数据。

有利的是，在根据本发明的测量装置中，加热元件与第一温度传感器之间的距离小于100μm、优选在15μm至50μm之间、特别是在20μm至30μm之间。第一温度传感器与第二温度传感器之间的距离可以至少为100μm、优选在150μm至550μm之间、特别是在150μm至350μm之间。第一温度传感器和第二温度传感器的距离也可以在200μm至400μm之间，但也可以大于500μm。通过相应地选择加热元件与第一温度传感器之间和第一温度传感器与第二温度传感器之间的距离实现了，在第一温度传感器上检测到温度最大值的时刻基本上是与介质的流动速度或体积流量无关的，而在第二温度传感器上出现温度最大值的第二时刻与介质的流动速度或体积流量具有明显的相关性。

第一温度传感器和第二温度传感器优选可以通过暴露地延伸穿过测量通道的丝线或薄层膜形成。所述丝线或薄层膜在这种情况下特别是没有位于其下的基体地延伸越过一个基体中的凹口或在两个基体之间延伸。备选地，构成第一和第二温度传感器的丝线或薄层膜共同设置在特别是由具有较低扩散率的、不导电的材料组成的薄膜片上，或者嵌入这种膜片中。通过构成温度传感器的所述可能方式特别是避免了，由于通过基体在加热元件与第一或第二温度传感器之间的传热使得测量失真。

作为薄层膜，特别是可以使用由导电材料组成的、厚度为几微米或厚度小于一微米的薄膜。特别是薄层膜可以具有少数几个100纳米的厚度。作为丝线，优选使用直径为小于10μm的丝线。在根据本发明的测量装置中，可以补充或备选地将加热元件构造成丝线或薄层膜，所述丝线或薄层膜设置在膜片上或暴露地延伸通过测量通道。

加热元件和/或第一温度传感器和/或第二温度传感器可以由金属、金属合金或半导体材料形成。这里半导体材料可以包含硅。

附图说明

本发明其他的优点和细节由下面说明的实施例以及相关附图中得出。其中：

图1示意性示出根据本发明的测量装置的一个实施例，

图2示意性示出图1中所示的测量装置的透视图，

图3示意性示出根据本发明的方法的一个实施例的流程图，

图4示意性示出在根据本发明的方法的该实施例中加热元件、第一温度传感器和第二温度传感器上在时间上的温度变化，

图5示意性示出对于三种不同的流动介质体积流量与加热时刻与检测到的第一时刻之间的时间间隔之间的关系图，

图6示意性示出对于三种不同的流动介质体积流量与加热时刻与检测到的第二时刻之间的时间间隔之间的关系图，以及

图7示意性示出对于三种不同的流动介质体积流量与第一和第二时刻之间的时间差之间的关系图。

具体实施方式

图1和图2示出用于确定流动介质与气体种类无关的体积流量的测量装置1。这里，图1从上面示出测量装置1的示意图，而图2示出测量装置的透视图。在图1和2中用箭头示意性示出的流动介质2流动通过测量装置1的测量路段。流动介质2这里在未示出的测量通道中层状地被引导，所述测量通道通过具有基本上为矩形的横截面的管构成。这里，流动介质2经过加热元件4、设置在加热元件4下游的第一温度传感器5和以比第一温度传感器5大的距离与加热元件4隔开的第二温度传感器6。加热元件4以及温度传感器5、6这里构造成丝线，所述丝线在两个基体3之间暴露地延伸通过测量通道。在测量装置1的一个备选实施形式中，温度传感器5、6和加热元件4也可以构造成薄层膜，所述薄层膜同样暴露地延伸通过测量通道。备选地，温度传感器5、6和加热元件4也可以作为丝线或薄层膜设置在由热扩散率较低的薄膜片上。

加热元件4和第一温度传感器5设置成相互隔开通过双箭头7示出的小于50μm的距离。第二温度传感器6和加热元件43之间的通过箭头8指示的距离明显大于到第一温度传感器5到加热元件的距离，即例如为450μm。

为了测量体积流量，未示出的控制装置以时间上间隔开的电流脉冲给加热元件4通电，由此，加热元件4上的温度在小于100μs的短时间段内近似于脉冲式地升高。通过控制装置在每个加热脉冲之后检测第一温度传感器5和第二温度传感器6上温度的时间曲线。由于温度传感器5到加热元件4的距离较小，温度传感器5上的时间上的温度曲线近似与流动介质2的流动速度和体积流量无关。由于第二温度传感器6距离加热元件4明显更远，第二温度传感器6上的温度曲线受流动介质的流动速度以及由此受体积流量的影响较大。如下面参考图3还将详细说明的那样，由此可以与气体种类无关地由在第一温度传感器上出现温度最大值的第一时刻和在第二温度传感器6上出现温度最大值的第二时刻键之间的时间差确定流动介质的体积流量。

图1附加地用点划线9示出第一温度传感器5的备选位置。由于第一温度传感器5非常靠近加热元件4设置，第一温度传感器设置在气流上游还是气流下游并不重要。

图3示意性示出用于基本上与气体种类无关地确定通过测量路段的流动介质的体积流量的方法的流程图。在步骤S1中，通过控制装置用小于100μs的短电流脉冲给加热元件4通电，由此加热元件上的温度近似于脉冲式地变化。

接下来，通过控制装置同时在步骤S2中检测第一温度传感器5上的温度曲线和在步骤S3中检测第二温度传感器6上的温度曲线。温度传感器5、6上的温度变化一方面受到也在静止的介质中发生的过程、例如受到扩散的影响，另一方面还受到流动介质经由加热元件4朝第二温度传感器6的方向的运动的影响。在图4中示意性地针对流动介质的流动速度示出加热元件4上的温度曲线以及通过控制装置检测到的温度传感器5和温度传感器6的测量值。这里实线指示加热元件4上的脉冲式温度变化。虚线示出第一温度传感器5上测得的温度曲线，而点划线示出第二温度传感器6上的温度曲线。这里，在加热元件4的温度曲线、第一温度传感器5上的温度曲线和第二温度传感器6上的温度曲线之间分别可以看到检测到的最大温度的减小和温度最大值的传播。

在步骤S4中，由第一温度传感器5上的温度的时间曲线、即由例如图4中的虚线确定温度分布具有最大值的第一时刻与加热脉冲开始、即与图4中的实线的脉冲的起始的距离。

图5对于三种不同的气体示例性示出体积流量与加热时刻和检测到的第一时刻之间的时间间隔之间的关系。氮气的测量值用菱形符号示出、甲烷的测量值用十字符号示出，而另一种天然气的测量值用圆形符号示出。这里可以看出，加热时刻与检测到的第一时刻之间的时间间隔基本上与气体的体积流量无关。

在步骤S5中确定在第二温度传感器6上的温度曲线、即例如图4中的点划线具有最大值的第二时刻。

图6也对于在图5中示出的三种不同气体示出加热时刻和第二时刻之间的时间间隔。这里可以看到，在图6中示出的时间差主要取决于气体的体积流量，但在体积流量相同时，根据具体气体，所述时间间隔会出现最高约20％的偏差。因此，对于所示气体类型利用共同的校准曲线确定体积流量会导致较大的测量误差。

在步骤S6中计算第一和第二时刻之间的时间差。这相当于从在图6中示出的测量值中减去在图5中示出的测量值。这里，对于不同的气体，所述时间差对于任意体积流量都分别几乎是相同的。因此可以在步骤S7中使用共同的校准曲线，所述校准曲线仅与测量装置1和周围的测量通道的特性有关并且存储在控制装置中，以便将在步骤S6中计算出的时间差转换成体积流量。

为了除了体积流量以外还确定流动介质2的其他参数，在步骤S8中使用存储在控制装置中的第二校准曲线，以便由在步骤S4中确定的加热时刻与检测到的第一时刻之间的时间间隔求得第一气体参数、即热扩散率。这里有利对于多个加热间隔计算热扩散率，并求均值，以便使测量误差最小化。

附加地，在步骤S9中求得第一温度传感器的温度最大值处的温度值、即图4中虚线的最大值，并且在步骤S10确定第二温度传感器6的温度最大值处的温度值、即图4中点划线的最大值。在步骤S11中，由这两个温度值以及在步骤S8中确定的气体参数确定另一个气体参数、即导热率，并且还得出，哪种气体或哪种气体混合物构成流动介质。此外，特别是可以使用多维的校准曲线或数值表。但特别是可以并由在步骤S9和S10中计算出的温度值和由在步骤S8中确定的热扩散率和所确定的导热率来确定气体种类或气体混合物的组成。这里特别是可以确定氢含量。

附图标记列表

1 测量装置

2 介质

3 基体

4 加热元件

5 第一温度传感器

6 第二温度传感器

7 双箭头

8 箭头

9 线