用于测定气体的物理性质的方法和装置与流程

本发明涉及用于测定气体或气体混合物的物理性质和燃烧相关量的方法和测量装置。气体物理性质具体是指密度、热导率、热容和粘度，以及燃烧相关量，例如气体或气体混合物的能含量、热值、沃泊指数、甲烷数和/或空气需要量。

背景技术：

在气体燃料燃烧控制系统中，重要的是即使在改变燃料气体品质时也保持燃烧器的负荷恒定。沃泊指数(wobbeindex)由热值、和空气与该气体之间的密度比的平方根组成，是显示气体互换性的合适指标。相同的沃泊指数将会导致恒定的燃烧器的热负荷。

在调节(天然气)气体发动机时，为了得到性能或效率的提升，需要了解在不同(天然气)气体品质下的热值，同时使用气体的甲烷数(类比于汽油的辛烷值)评价点火性能(爆震效应或偏时点火(misfiring))。

最佳的燃烧过程需要适当的燃料气体和空气之间的混合比，其被称作“气体需要量”。烟垢(烟道气)通常在空气过少时形成，这尤其可能损坏燃料单元。过多的空气在燃烧期间导致性能下降。最优值取决于所关注的应用，但其随着气体品质改变而再次变化。

学术文献中已描述了用于计算燃烧相关量的关联方法，例如参见u.wernekinck，"gasmessungundgasabrechnung"(气体计量和气体计价)，vulkanpublishers，2009，isbn978-3-8027-5620-7。就此使用了以下测量变量的组合。

a.介电常数，声速，co2含量

b.2个压力下的声速，co2含量

c.2个温度下的热导率，声速

d.热导率，热容，动力粘度

e.热导率，红外吸收(非色散)

f.红外吸收(色散)

目前仅有少量市售可得的装置已证实能用于热值读数，例如rmg-honeywell制的emc500装置(d型加co2含量)或elster-instromet制的gas-labq1装置(e型加co2含量)。然而，由于高的购置成本，这些装置均不适合大量配置。

集成cmos热丝式风速计能够进行热导率和质量流量的微热测量。对于该技术，参照d.matter，b.kramer，t.kleiner，b.sabbattini，t.suter的出版物“mikroelektronischermitneuertechnologie”(使用新技术的微电子家庭气体计)，发表于technischesmessen71，3(2004)，137-146页。其与常规热式质量流量计不同，直接在气流中实施测量，而非从包围气流的金属毛细管的外侧实施测量。

ep2015056a1描述了用于测定燃烧相关量的热流传感器，其基于基本上已知质量流量的情况下的热导率读数。使用临界喷嘴保持质量流量恒定，其目的是通过热导率校正临界喷嘴对气体类型的相关性。然而，关于关联燃烧相关量的信息被限制在2个或多或少地独立的测量变量，因此不容许验证所测定变量。

wo2004/036209a1描述了一种用于测定燃烧相关量的传感器，其中，质量流量保持恒定，通过热测量确认与热容成比例的值。由于所描述的传感器不是微热传感器，不能得出关于热导率的结论；这意味着热容和由此得出的燃烧相关量的测定可能只取决于一个比例系数。因此，需要使用已知的气体组合物进行附加的校准。另外，省略了热导率的信息、以及由此将热导率λ与燃烧相关量关联的手段。此外，出现无法得到的热导率λ的变化限制了该方法的精度。

技术实现要素：

因此，本发明目的在于，提出方法和测量装置，用于测定气体和气体混合物的物理性质，以得到比来自上述引用的专利文献中的传感器更高的精确度；另外，本发明的目的在于，以比证实能用于热值读数的需要校准的市售可得装置更低的成本生产测量装置。

本发明的目的是通过权利要求1的方法和权利要求13的测量装置而实现的。

本发明的构思是通过临界喷嘴结合能够测定流量和热导率的微热传感器，基于测定特定气体体积的压力下降，以测定气体物理性质。由于用于临界喷嘴的相同质量流量也应用于微热传感器，可验证压力下降和流量两者的测定的一致性。

能够由这3种测量变量通过关联确定其它值。

使用临界喷嘴测定规定气体体积的压力降低：

通过临界喷嘴的质量流量由下式所示：

其中，cd表示“流出系数”、即实际临界喷嘴相比于理想临界喷嘴的损失系数，p表示入口压力，a^＊表示喷嘴横截面积，t表示入口温度，rm表示普适气体常数，m表示气体分子量，并且ψmax表示临界流量系数的最大值。后者是等熵系数γ＝cp/cv(等压热容与等容热容的比率)的函数，

若通过临界喷嘴从高压释放气体的已知体积v的气体(例如从9巴至4巴)，则根据理想气体定律，该体积中的压力取决于时间t，如下所示：

因此，压力变化的速率为

并且与等式(1)一起得到

因此，若以时间相关的方式测定压力的进程，则由积分得到的相关指数函数的时间常数τ可定义为：

如果测量过程另外提供温度t的值，可以通过省略所有与气体无关的变量来定义如下气体特性系数：

相反地，如果气体通过临界喷嘴从较高的压力水平被释放进已知体积v(例如从常压至真空)，体积v中的压力增加的方程(5’)如下：

其中，喷嘴前的压力pnozzle保持恒定，这随时间导致体积v中的线性压力增加，其中下式为比例常数：

另外，若通过测量得到温度t和喷嘴入口压力pnozzle的值，继而能够通过省略所有与气体无关的变量来定义如下气体特性系数：

利用微热传感器的质量流量测量：

描述微热质量流量测量的起点为描述微热体系的一维热导率方程(kersonhuang：statisticalmechanics，2ndvolume，johnwiley&sons，newyork1987，isbn0-471-85913-3)：

其中，

vx表示平均流速(速度矢量)在x方向、即气流方向上的分量，

t表示温度，

表示温度梯度，

cp表示恒定压力下的气体热容，

ρ表示密度，

λ表示气体的热导率，

表示应用于温度t的拉普拉斯算子，其中

由于气体(气流)仅在x方向上流动，因此平均流速在y方向、z方向上的分量vy、vz分别取零。θ描述热要素的源项，其单位为瓦/m³。在微热法中，源项是小型化集成热丝式风速计的加热丝，其向系统输入热能量。方程(8)描述微热系统中的温度分布，通过求解方程(8)，能够通过测定该温度分布来确定系数s，

上式中，a是指经过微热传感器的流道的横截面积。与临界喷嘴组合、即通过在临界喷嘴后设置微热传感器，质量流量由方程(1)给出，因此由下式给出：

测量压力p和温度t，并且再次省略所有与气体无关的变量，得到如下的第二气体特性系数：

通过使γ和γ^*与已知(校准)气体的γ和γ^*相关联，隐含地省略了方程(7)和方程(11)中所有与气体无关的变量。另参见图4。

利用微热传感器测量热导率：

应该注意的是，由于源项θ，热导率λ另外单独地影响方程(8)的解。这适用于相反情况：如果在未应用质量流量(vx＝0或)下测量微热传感器，则热导率能够被确定。则温度分布的相关微分方程简化为

气体特性系数γ和γ^*的验证

两个气体特性系数γ和γ^*的比率为

对于大多数气体，摩尔体积几乎相等，由于这一事实，因此分子量与标准密度(在标准状态1013.25毫巴和273.15k下的密度)成比例。因此，在方程(9)中，结合流道横截面积a，流速vx和标准体积流量φnorm＝vx·a可以从用微热传感器测量的系数s中提取。于是，该体积流量对时间(即时间间隔t2-t1)的积分应该对应于基于相应的压力和温度值算出的所释放的气体体积：

若这两个值不匹配，则可以根据哪个值可能测量得较不准确，将标准体积流量或压力信号调节至满足方程(14)的点。针对vx＝φnorm/a调节标准体积流量的情况下，方程(13)的右侧也通过方程(9)中的测量系数s而被调节，并且由此气体特性系数γ也再次通过方程(13)而被调节。在调节压力信号的情况下，分别调节方程(6)中的时间常数τ、方程(6’)中的比例常数，继而导致对方程(7)和方程(7’)中的气体特性系数γ^*的调节。如此，由于通过喷嘴的质量流量与供给微热传感器的质量流量相同，从而一致地定义了γ和γ^*。

燃烧相关量的关联：

通过测量气体特性系数γ和γ^*以及热导率λ，得到三个独立的测量变量，此时由此能够借助函数fcorr关联燃烧相关量q：

qcorr＝fcorr(γ，γ^*，λ).(15)。

例如，如图4所示，对于关联在0℃和1013.25毫巴下的密度比ρcorr/ρref，得到如下关联函数

ρcorr/ρref＝fcorr(γ，γ^*，λ)＝γ^r·γ^*s·λ′(16)，

其中，指数r＝-0.2、s＝-1.8和t＝-0.2，并且出于参比目的使用了典型的高热值气体。

本发明的方法和测量装置

在本发明的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法中：

-所述气体或气体混合物从气体贮存器流过临界喷嘴，并且经过微热传感器，其中，对所述临界喷嘴和所述微热传感器应用相同的质量流量；

-测量所述气体贮存器中的压力下降，作为关于时间的函数；

-基于所述压力下降的测量值确定第一气体特性系数γ^*，所述系数γ^*与所述气体或气体混合物的第一组物理性质相关，其中，该第一气体特性系数例如得自所述压力下降的时间常数；-由所述微热传感器的流量信号确定第二气体特性系数γ，所述系数γ与所述气体或气体混合物的第二组物理性质相关，其中，该第二气体特性系数包含例如所述气体或气体混合物的热容cp，或者与热容cp相关；

-利用所述微热传感器确定所述气体或气体混合物的热导率λ；并且

-由所述第一气体特性系数γ^*和/或第二气体特性系数γ以及热导率λ通过关联来确定所需物理性质或燃烧相关量。

该方法有利地基于所测量的压力的指数递减，并且由压力下降的时间常数得出第一气体特性系数γ^*，其中，第一气体特性系数是例如通过另外测定温度t以及省略所有与气体无关的变量而形成的。

第二气体特性系数(γ)通常包含热容cp除以气体或气体混合物的热导率λ的商，或者与所述商相关，其中，第二气体特性系数是通过另外测量例如温度t以及省略所有与气体无关的变量而形成的。

根据该方法的一个有利的实施方案，通过比较所释放的气体或气体混合物的总体积的值，验证气体特性系数γ^*和γ；其如下进行：在压力下降读数起始和结束时测量所述气体贮存器中的压力和温度，并且在所述气体贮存器的已知体积下确定所释放的标准体积；累加在所述压力下降读数起始和结束之间的时间间隔期间由所述微热传感器测量的标准流量；以及将所释放的标准体积与累加标准体积进行比较。为了防止偏差，通过例如调节所述压力信号或所述微热传感器的标准流量值，调节所述第一气体特性系数和/或第二气体特性系数。

上述方法的实施方案可以用来校准微热传感器的流量信号，其如下进行：针对未知的气体或气体混合物确定所述第二气体特性系数相对于所述第一气体特性系数的比率г/γ^*，所述第二气体特性系数得自所述微热传感器的流量信号；并且比较来自所述压力下降或读数以及所述微热传感器的累加标准流量的标准体积值，并用它们来调节所述第二气体特性系数相对于所述第一气体特性系数的比率，并且使该值匹配所述第二气体特性系数γ。

在用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的该方法的另一个有利实施方案中：

-所述气体或气体混合物在压力下流过临界喷嘴，并且经过微热传感器进入气体贮存器，其中，对所述临界喷嘴和所述微热传感器应用相同的质量流量；

-测量所述气体贮存器中的压力增加，作为关于时间的函数；

-参照所述压力增加的测量值确定第一气体特性系数γ^*，所述系数г^*与所述气体或气体混合物的第一组物理性质相关；

-由所述微热传感器的流量信号确定第二气体特性系数г，所述系数г与所述气体或气体混合物的第二组物理性质相关，其中，该第二气体特性系数包含例如所述气体或气体混合物的热容cp，或者与热容cp相关；

-利用所述微热传感器确定所述气体或气体混合物的热导率λ；并且

-由所述第一气体特性系数г^*和/或第二气体特性系数γ以及热导率λ通过关联来确定所需物理性质或燃烧相关量。

该方法有利地基于所测量的压力的线性增加，并且由压力增加的比例常数得出第一气体特性系数γ^*，其中，第一气体特性系数例如是通过另外测定温度t和喷嘴入口压力pnozzle以及省略所有与气体无关的变量而形成的。

第二气体特性系数γ通常包含热容cp除以气体或气体混合物的热导率λ的商，或者与所述商相关，其中，第二气体特性系数例如是通过另外测量温度t以及省略所有与气体无关的变量而形成的。

根据本方法的另一个有利实施方案，通过比较流入气体贮存器的气体或气体混合物的总体积的值，验证气体特性系数γ^*和γ；其如下进行：在压力增加读数起始和结束时测量所述气体贮存器中的压力和温度，并且在所述气体贮存器的已知体积下确定供入所述气体贮存器的标准体积；累加在所述压力增加读数起始和结束之间的时间间隔期间由所述微热传感器测量的标准流量；将供入所述气体贮存器的标准体积与累加标准体积进行比较。为了防止偏差，通过调节所述第一气体特性系数和/或所述第二气体特性系数，例如通过调节所述压力信号或所述微热传感器的标准流量值。

上述方法的实施方案可以用来校准微热传感器的流量信号，其如下进行：针对未知的气体或气体混合物确定所述第二气体特性系数相对于所述第一气体特性系数的比率γ/γ^*，所述第二气体特性系数得自所述微热传感器的流量信号；并且比较来自所述压力增加或读数以及所述微热传感器的累加标准流量的标准体积值，并用它们来调节所述第二气体特性系数相对于所述第一气体特性系数的比率，并且使该值匹配所述第二气体特性系数γ。

所需物理性质可以是例如气体或气体混合物的密度或热导率或热容或粘度，而燃烧相关量可以是例如气体或气体混合物的能含量或热值或沃泊指数或甲烷数或空气需要量。

所需物理性质或燃烧相关量q有利地通过关联函数q＝fcorr(γ，γ^*，λ)＝const·γ^y·γ^*s·λ^t来确定，其中，r、s和t为指数，const为常数。

压力下降测量起始时气体贮存器中的压力通常高于临界喷嘴的临界压力pcrit，并且临界喷嘴下游的外压低于临界压力的一半；或者在压力增加读数起始时气体贮存器中的压力通常低于临界喷嘴的临界压力pcrit的一半，并且临界喷嘴上游的压力高于临界压力。

不论是何种实施方案和变体，气体贮存器在测量中通常与气体供应断开连接。气体贮存器的体积可以有利地以如下方式进行选择：使得气体贮存器内部压力在测量结束时显著减少或增加例如初始压力的至少十分之一或五分之一。

本发明的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的测量装置包括：分析单元，其被设置用于实施上述任一实施方案或变体的程序；以及气体贮存器，其配备有压力传感器、临界喷嘴和测量流量和热导率的微热传感器。在此设置中，出于测量的目的，气体贮存器与临界喷嘴和微热传感器相连接。

此外，本发明还包括气体贮存器和临界喷嘴在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的用途；在此设置中，所述气体或气体混合物在压力下从所述气体贮存器流过所述临界喷嘴；并且测量所述气体贮存器中的压力下降，作为关于时间的函数；基于压力下降的测量值确定气体特性系数γ^*，例如由所述压力下降的时间常数得出，所述气体特性系数γ^*与所述气体或气体混合物的物理性质相关；然后，该气体特性系数γ^*用于通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量。

在另一有利实施方案中，在贮存器中产生低压，并且气体或气体混合物在压力下流过临界喷嘴进入气体贮存器；在此设置中，测量气体贮存器中的压力增加作为关于时间的函数，并且由压力增加的测量值确定气体特性系数γ^*，该体特性系数γ^*与气体或气体混合物的物理性质相关，然后其用于通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量。

气体贮存器和临界喷嘴在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的上述用途，或者气体贮存器和临界喷嘴用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的相应方法也可以被看作是不同的、独立的发明，其可以另外包括带有分析单元、气体贮存器和临界喷嘴的测量装置，其中，为气体贮存器和临界喷嘴的使用设置分析单元，以确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量，或者用于实施相应的方法。

此外，本发明包括气体贮存器和针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的用途；在此设置中，气体或气体混合物在压力下从气体贮存器流过微热传感器，其中，将通过针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器测定的体积流量vx·a累加，并与从气体贮存器释放的气体体积进行比较；由这两个体积的比较来确定气体特性系数s/v′x，该气体特性系数s/v′x与气体或气体混合物的物理性质相关，其中，v′x表示所释放的气体体积的流速，并且其中由该气体特性系数通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量，该气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ组成(参见方程(9))。

在另一优选实施方案中，在贮存器中产生低压，并且气体或气体混合物在压力下流过微热传感器进入气体贮存器，其中，将通过针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器确定的体积流量vx·a累加，并与流入气体贮存器的气体体积进行比较；由这两个体积的比较来确定气体特性系数s/v′x，该气体特性系数s/v′x与气体或气体混合物的物理性质相关，其中由该气体特性系数通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量，该气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ组成(参见方程(9))。

在该实施方案的另一优选变体中，通过移动活塞产生气流。

气体贮存器和针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的上述用途，或者气体贮存器和针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的相应方法也可以被看作是不同的、独立的发明，其可以另外包括带有分析单元、气体贮存器和微热传感器的测量装置，其中，为气体贮存器和微热传感器的使用设置分析单元，以确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量，或者用于实施相应的方法。

本发明的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法和测量装置的优势为，可以获得三个独立的测量变量，用于关联燃烧相关量。另一方面，这使得能够对于测定燃烧相关量获得相对高的精度水平，否则该精度水平仅能由昂贵得多的设备获得；另一方面，能够验证读数和调节任何偏差。

其它优势由之后的说明书显而易见。

附图说明

以下参照附图更详细地说明本发明。在附图中：

图1a显示本发明的测量设备的示意结构的示例性实施方案(高压变体)，

图1b显示图1a所示的示例性实施方案的变体，

图2显示本发明的测量设备的示意结构的第二示例性实施方案(低压变体)，

图3显示本发明的测量装置中使用的微热传感器的示例性实施方案，和

图4显示对于多种气体组在标准状态下(0℃、1013.25毫巴)，直接测量密度比(纵坐标)作为关联后的密度比(横坐标)的函数的图。

图5a显示本发明的第二实施方案的测量装置的示意结构的示例性实施方案(高压变体)。

图5b显示图5a所示示例性实施方案的变体。

图6显示本发明的第二实施方案的测量装置的示意结构的第二示例性实施方案(低压变体)。

图7显示对于二元原料生物气(甲烷和二氧化碳)，直接测量的甲烷含量(纵坐标)作为关联后的甲烷含量(横坐标)的函数的图。

图8a显示具有气体贮存器和微热传感器的本发明的第三实施方案的测量装置的示意结构的示例性实施方案(高压变体)。

图8b显示图8a所示的示例性实施方案的变体。

图9显示具有气体贮存器和微热传感器的本发明的第三实施方案的测量装置的示意结构的第二示例性实施方案(低压变体)。

图10显示参照热扩散率(纵坐标)和同时知晓的热导率λ(横坐标)的天然气混合物分类的图示。

具体实施方式

图1a显示本发明的测量设备的示意结构的示例性实施方案，其中，主气道1中的压力高于测量设备的临界喷嘴6的临界压力(高压变体)。在该示例性实施方案中，除了临界喷嘴6以外，该测量设备包括：分析单元11，其被设置用于实施本发明的方法；气体贮存器4，其装配有压力传感器8和测量流量和热导率的微热传感器7，其中，出于测量目的，气体贮存器4与临界喷嘴6和微热传感器7相连接。

必要时，测量装置可以包括一个或多个下述附加部件：测试线路2，其通向气体贮存器4，并且其在操作期间可以与主气道1连接；入口阀3，其可配置在测试线路2内来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出由测量装置释放的气体；附加压力传感器8’，其安装在出口10；温度传感器9，其安装在气体贮存器中；压缩机12’，其可安装在气体贮存器4的入口侧来提高气体贮存器中的压力。

下面，参照图1a描述本发明的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的示例性实施方案。在该方法中，气体或气体混合物从气体贮存器4流过临界喷嘴6，经过微热传感器7，其中，对临界喷嘴和微热传感器应用相同的质量流量。测定气体贮存器4中的压力下降作为关于时间的函数，并且基于压力下降的测量值确定第一气体特性系数γ^*，所述系数γ^*与气体或气体混合物的第一组物理性质相关，其中，第一气体特性系数例如由压力下降的时间常数得出。第二气体特性系数γ由微热传感器7的流量信号算出，所述系数γ与气体或气体混合物的第二组物理性质相关，其中，第二气体特性系数包括例如气体或气体混合物的热容cp，或者与热容cp相关。接着，借助微热传感器7确定气体或气体混合物的热导率λ，并且基于第一气体特性系数γ^*和/或第二气体特性系数γ以及热导率，借助关联来确定所需物理性质或燃烧相关量。

该方法的其他有利实施方案和变体已在说明书之前的部分中描述。下述说明提供该方法的补充细节，可按需使用。

有利地，首先打开入口阀3和出口阀5，让待测的气体或气体混合物从主气道1流过测试线路2并通过测量装置，以确保没有来自先前测量的多余气体残留在测量装置中。入口阀和出口阀能够通过控制单元而打开。个别情况下，如图1a所示，分析单元11也能够控制入口阀和出口阀。这种情况下，出口阀5关闭且填充体积容量v已知的气体贮存器4，直至入口阀3关闭。利用压力传感器8或温度传感器9，能够测量气体贮存器中的压力p和温度t，确保能够在任何时间得出在气体贮存器中含有的气体或气体混合物的标准体积vnorm

若气体贮存器4中的压力p高于压力pcrit(这是喷嘴6临界操作所需要的)，则出口阀5可以再次打开。气体贮存器中的压力p优选超过pcrit数巴，使得能够在这种过压的阶段进行压力下降读数，同时喷嘴6一直临界操作。出口阀5此时再次关闭，终止压力下降测量。优选安装压力传感器8，作为相对于测量装置的出口10的压差传感器。但是，也可以在出口处配备附加的压力传感器8’。

在压力下降读数期间，气体贮存器4中与时间相关的压力p(t)和与时间相关的温度t(t)被测量并被分析单元11记录。利用这些数据，在分析单元中确定方程(6)中的时间常数τ或方程(7)中的气体特性系数γ^*。同时，利用微热传感器7测量了流量数据，其进而被分析单元所记录，来确定方程(9)中的系数s或方程(11)中的气体特性系数γ。由于入口阀和出口阀在压力下降读数后关闭，没有气体再流经微热传感器7。此时，可以进行热导率读数λ的测量。利用方程(12)确定热导率λ，进而由分析单元记录。

此时，在分析单元11中分别对气体特性系数г和γ^*进行(任选的)验证。此后，根据所需燃烧相关量q，通过方程(15)利用之前确定的关联函数qcorr＝fcorr(γ，γ^*，λ)计算该值。

必要时，如图1b所示，可另外配置压缩机12’，其安装在例如气体贮存器4的入口侧，来提高气体贮存器中的压力。

图2显示本发明的测量装置的示意结构的第二示例性实施方案，其基于气体贮存器中的低压。该所谓的低压变体有利地用于例如向终端消费者的气体供应。在该第二示例性实施方案中，除了气体贮存器4之外，测量装置包括：压力传感器8，其位于气体贮存器上；分析单元11，其被设置用于实施本发明的方法；临界喷嘴6与测量流量和热导率的微热传感器7，其中，出于测量的目的，气体贮存器4与临界喷嘴6和微热传感器7相连接。

必要时，测量装置可以包括一个或多个下述附加部件：真空泵12，其与气体贮存器连接，使气体贮存器中生成低压；测试流路2，其通向气体贮存器4，并且其在运转中可以与主气道1连接；入口阀3，其安设在测试流路2来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，其安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出来自测量装置的流出气体；附加压力传感器8’，其可以安设在测试线路2或主气道；温度传感器9，其安装在气体贮存器4中。

下面，参照图2描述本发明的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的示例性实施方案。在该方法中，气体或气体混合物在压力下流过临界喷嘴6，经过微热传感器7进入气体贮存器4，其中，对临界喷嘴和微热传感器应用相同的质量流量。测定气体贮存器4中的压力增加作为关于时间的函数，并且参考压力增加的测量值确定第一气体特性系数γ^*，所述系数γ^*与气体或气体混合物的第一组物理性质相关，其中，第一气体特性系数例如由压力增加的比例常数得出。第二气体特性系数γ由微热传感器7的流量信号算出，所述系数γ与气体或气体混合物的第二组物理性质相关，其中，第二气体特性系数包括例如气体或气体混合物的热容cp，或者与热容cp相关；接着，借助微热传感器7确定气体或气体混合物的热导率λ，并且基于第一气体特性系数γ^*和/或第二气体特性系数γ以及热导率，借助关联来确定所需物理性质或燃烧相关量。

该方法的其他优选实施方案和变体已在说明书之前的部分中描述。下述说明提供该方法的补充细节，可按需使用。

第一步中，有利地例如利用真空泵12，将气体贮存器4中的压力降低至使得临界喷嘴6能临界操作的程度；换言之，直至气体贮存器中的压力低于临界喷嘴上游的压力的一半。不需要高真空。只要能够在气体贮存器4中测量压力p和温度t，就能够计算已经流入气体贮存器的气体标准体积。然而，如果压力为临界状态所需的压力若干分之一，这是有利的，因为这意味着测量相应地要耗费更多时间，使得能够更精确地确定比例系数。

关于这些方法的更多细节(在需要时可使用)，参照第一示例性实施方案的说明，在适当的位置用术语“压力增加”代替术语“压力下降”。

图3显示了本发明的测量装置中使用的微热传感器的示例性实施方案。例如，如图3所示，微热传感器7可以是集成微热cmos热丝式风速计，其正常操作期间安装在测试线路的区域2’中，可以向其供应气体或气体混合流2a。微热cmos热丝式风速计包括基体13，其通常包含膜14，膜厚度测得仅为几微米。此外，cmos热丝式风速计包括2个热元件15.1和15.2以及加热元件16，加热元件16可以置于流动方向上2个热元件之间。这2个热元件15.1、15.2用于记录所得到的温度，该温度是由与气体或气体混合物流2a组合的热交换15.1a、15.2a而产生的。

关于cmos热丝式风速计的功能的更多细节，参照d.matter，b.kramer，t.kleiner，t.suter，"mikroelektronischermitneuertechnologie"(使用新技术的微电子家用气表)，technischesmessen71，3(2004)，137-146页。

图4显示多种气体组在标准状态下(0℃、1013.25毫巴)直接测量的密度比ρ/ρref(纵坐标)作为关联后的密度比ρcorr/ρref(横坐标)的函数，其中，使用本发明的方法或测量装置确定关联后的密度比。使用典型的高热值气体作为参比气。

上述用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的测量装置属于一个新类别，即“气体贮存器中压力下降或压力增加的测量，其中，气体流过临界喷嘴；以及利用微热传感器测量热导率和流量，和通过流量值的累加进行数据验证”。所使用的部件便宜，其能够拓展目前因成本原因而没有使用气体品质传感器的新市场。从精确性的观点出发，相比于更昂贵的市售可得设备，预期仅有一些局限，因为在这种情况下，也至少有三个独立的测量变量被用于关联。

此外，在第二实施方案中，本发明包括气体贮存器和临界喷嘴在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的用途，或者使用气体贮存器和临界喷嘴用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法，其中，气体或气体混合物在压力下从气体贮存器流过临界喷嘴；这种情况下，测量贮存器中的压力下降作为关于时间的函数，基于压力下降的测量变量确定气体特性系数γ^*，所述系数γ^*例如由压力下降的时间常数得出，与气体或气体混合物的物理性质相关，并且由气体特性系数γ^*通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量。

上述的本发明的第二实施方案可以被看作不同的、独立的发明。

图5a显示本发明的第二实施方案的测量装置的示意结构的一个示例性实施方案，其中，主气道1中的压力高于测量装置的临界喷嘴6的临界压力(高压变体)。在该示例性实施方案中，除了临界喷嘴6之外，测量装置包括：分析单元11，其被设置用于实施本发明的第二实施方案的方法；气体贮存器4，其配备有压力传感器8，其中，出于测量的目的，气体贮存器4与临界喷嘴6相连接。

必要时，测量装置可包括一个或多个以下附加部件：测试线路2，其通向气体贮存器4，并且在操作期间可以与主气道1相连接；入口阀3，其可安设于测试线路2来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，其安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出来自测量装置的流出气体；附加压力传感器8’，其可安装在出口10；温度传感器9，其安装在气体贮存器中；和压缩机12’，其可安设在气体贮存器4的入口侧来提高气体贮存器中的压力。

下面，参照图5a描述本发明的第二实施方案的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的示例性实施方案。在该示例性实施方案中，气体或气体混合物从气体贮存器4流过临界喷嘴6。测定气体贮存器4中的压力下降作为关于时间的函数，并且基于压力下降的测量值确定第一气体特性系数γ^*，所述系数γ^*与气体或气体混合物的第一组物理性质相关，其中，第一气体特性系数γ^*例如由压力下降的时间常数得出。此外，基于气体特性系数γ^*通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量。

由于气体特性系数γ^*固有地为气体含量x％或(1-x％)的连续函数，在本发明的第二实施方案中，有利地就形成气体混合物的两种组分的含量对二元气体混合物进行分析。在已知含量x％或(1-x％)的情况下，则能够由表格组或通过相应的计算程序确定二元气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量。当然，还能够利用气体特性系数γ^*直接关联二元气体混合物的这些物理性质和/或燃烧相关量。

在该方法的实施方案中，由此能够确定二元气体混合物中含有的组分的百分数，其中，待关联变量均对应于组合物中的组分的百分数(x％)和/或二元气体混合物的其它物理性质。

该方法的其他优选实施方案和变体在说明书之前的部分中描述。以下说明提供该方法的补充细节，可按需使用。

有利地，首先打开入口阀3和出口阀5，让待测的气体或气体混合物从主气道1流过测试线路2并通过测量装置，以确保没有来自先前测量的多余气体残留在测量装置中。入口阀和出口阀能够通过控制单元而打开。个别情况下，如图5a所示，分析单元11也能够控制入口阀和出口阀。这种情况下，出口阀5关闭并填充已知为体积容量v的气体贮存器4，直至入口阀3关闭。利用压力传感器8或温度传感器9，能够测量气体贮存器中的压力p和温度t，确保能够在任何时刻得出在气体贮存器中含有的气体或气体混合物的标准体积vnorm

若气体贮存器4中的压力p高于压力pcrit(这是喷嘴6临界操作所需要的)，出口阀5可以再次打开。气体贮存器中的压力p优选超过pcrit数巴，使得能够在这种过压的阶段进行压力下降读数，同时喷嘴6一直临界操作。出口阀5此时再次关闭，终止压力下降测量。优选安装压力传感器8作为相对于测量装置的出口10的压差传感器。但是，也可以在出口处配备附加压力传感器8’。

在压力下降读数期间，气体贮存器4中与时间相关的压力p(t)和与时间相关的温度t(t)被测量并被分析单元11所记录。利用这些数据，在分析单元中确定方程(6)中的时间常数τ或方程(6’)中的气体特性系数γ^*和方程(7)或方程(7’)中的气体特性系数γ^*。

此时，根据所需燃烧相关量q，在分析单元11中基于方程(15)利用之前确定的关联函数qcorr＝fcorr(γ^*)计算该值。

必要时，如图5b所示，能够另外配备压缩机12’，其安装在例如气体贮存器4的入口侧，来提高气体贮存器中的压力。

图6显示本发明的第二实施方案的测量装置的示意结构的第二示例性实施方案，其基于气体贮存器中的低压。该所谓的低压变体有利地用于例如向终端消费者的气体供应。在该第二示例性实施方案中，除了气体贮存器4之外，测量装置包括：压力传感器8，其安装于气体贮存器上；分析单元11，其被设置用于实施本发明的第二实施方案的方法；和临界喷嘴6，其中，出于测量的目的，气体贮存器4与临界喷嘴6相连接。

必要时，测量装置可以包括一个或多个下述附加部件：真空泵12，其与气体贮存器连接，使气体贮存器中生成低压；测试流路2，其通向气体贮存器4，并且其在运转中可以与主气道1连接；入口阀3，其安设在测试流路2来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，其安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出来自测量装置的流出气体；附加压力传感器8’，其可以安设在测试线路2或主气道；温度传感器9，其安装在气体贮存器4中。

下面，参照图6描述本发明的第二实施方案的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的另一示例性实施方案。在该示例性实施方案中，气体或气体混合物在压力下流过临界喷嘴6进入气体贮存器4。测定气体贮存器4中的压力增加作为关于时间的函数，并且参照压力增加的测量值确定气体特性系数γ^*，所述系数γ^*与气体或气体混合物的第一组物理性质相关，其中，该气体特性系数例如由压力增加的比例常数得出。基于气体特性系数γ^*通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量。

该方法的其他优选实施方案和变体已在说明书之前的部分中描述。以下说明提供该方法的补充细节，可按需使用。

在先前步骤中，有利地例如利用真空泵12，将气体贮存器4中的压力降低至使得临界喷嘴6能临界操作的程度；换言之，直至气体贮存器中的压力低于临界喷嘴上游的压力的一半。不需要高真空。只要能够在气体贮存器4中测量压力p和温度t，就能够计算已经流入气体贮存器的气体标准体积。但是，如果压力为临界状态所严格需要的压力的若干分之一，这是有利的，因为这意味着测量相应地在更长时间中持续，使得能够更精确地确定比例常数。

关于这些方法的更多细节(可在需要时使用)，参照第一示例性实施方案的说明，其中在适当的位置用术语“压力增加”代替术语“压力下降”。

图7显示对于由甲烷和二氧化碳组成的二元原料生物气，在标准状态下(0℃、1013.25毫巴)直接测量的甲烷含量nch4(纵坐标)作为关联后的甲烷含量nch4corr(横坐标)的函数，其中，使用本发明的第二实施方案的方法或测量装置计算关联后的甲烷含量。使用典型的高热值气体作为参比气。有利地利用关联函数确定所需变量q(这里是指以x％表示的甲烷含量nch4corr)，在所示的实例中，数值上为a＝-7.82，b＝22.7，c＝-20.4和d＝6.45。

上述用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的测量装置属于一个新类别，即“气体贮存器中压力下降或压力增加的测量，其中，气体流过临界喷嘴”。所使用的部件便宜，其能够拓展目前因成本原因而没有使用气体品质传感器的新市场。从精确性的观点出发，相比于更昂贵的市售可得设备，预期仅有一些局限，因为在这种情况下，仅有一个独立的测量变量而不是三个被用于关联。

此外，在第三实施方案中，本发明包括气体贮存器和针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器在确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量中的用途；在此设置中使用气体贮存器和针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器，用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量，其中，气体或气体混合物在压力下从气体贮存器流经微热传感器，这种情况下，将通过针对特定校准气体或气体混合物进行过校准的微热传感器确定的体积流量vx·a累加，并与从气体贮存器释放的气体体积进行比较；由这两个体积的比较来确定气体特性系数s/v′x，所述系数s/v′x与气体或气体混合物的物理性质相关，其中，v′x表示所释放的气体体积的流速，并且其中由该气体特性系数通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量，该气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ组成(参见方程(9))。

上述本发明的第三实施方案也可以被看作是不同的、独立的发明。

图8a显示本发明的第三实施方案的测量装置的示意结构的示例性实施方案，其中，主气道1处于压力下(高压变体)。在该示例性实施方案中，测量装置包括：分析单元11，其被设置用于实施本发明第三实施方案的方法；气体贮存器4，其配备有压力传感器8和测量流量与热导率的微热传感器7，其中，出于测量目的，气体贮存器4与微热传感器7相连接。

必要时，测量装置可以包括一个或多个以下附加部件：测试线路2，其通向气体贮存器4，并且其在操作期间可以与主气道1连接；入口阀3，其可安设在测试流路2来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，其安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出来自测量装置的流出气体；附加压力传感器8’，其可安装在出口10；温度传感器9，其安装在气体贮存器中；压缩机12’，其可安设在气体贮存器4的入口侧来提高气体贮存器中的压力。

下面，参照图8a描述本发明第三实施方案的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的示例性实施方案。在该方法中，气体或气体混合物在压力下从气体贮存器4流经微热传感器7，该微热传感器7针对特定校准气体或气体混合物进行过校准，这种情况下，累加体积流量vx·a并与从气体贮存器释放的气体体积进行比较；由这两个体积的比较来确定气体特性系数s/v′x，所述系数s/v′x与气体或气体混合物的物理性质相关，其中，v′x表示所释放的气体体积的流速，并且其中由该气体特性系数通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量，该气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ组成(参见方程(9))。

在该方法的一个有利实施方案中，另外利用微热传感器7确定气体或气体混合物的热导率λ。

有利地，在本发明的第三实施方案中，关于它们分类为高热值气体或低热值气体(具有高(h)热值或低(l)热值的气体)，对天然气混合物进行检测，因为气体特性系数对应于气体混合物的热扩散率的倒数值，借助所述气体特征系数连同可利用微热传感器单独测量的热导率λ一起，能够区分高热值气体组和低热值气体组，所述气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ组成(参见方程(9))。

例如通过利用热扩散率cp·ρ/λ的倒数值确定气体特性系数s/v′x，能够确定天然气混合物的分类属于高热值气体或低热值气体，其中，依照热导率，基于热扩散率的限值进行分类；在该限值以上，气体混合物被分类为低热值气体，在该限值以下，分类为高热值气体。

因此，在该方法的一个实施方案变体中，利用微热传感器7确定气体或气体混合物的热导率λ，结合气体特性系数s/v′x＝cp·ρ/λ，将测量气体分类为高热值气体或低热值气体。

该方法的其他优选实施方案和变体已在说明书之前的部分中描述。以下说明提供该方法的补充细节，可按需使用。

有利地，首先打开入口阀3和出口阀5，让待测的气体或气体混合物从主气道1流过测试线路2并通过测量装置，以确保没有来自先前测量的多余气体残留在测量装置中。入口阀和出口阀能够通过控制单元而打开。个别情况下，如图8a所示，分析单元11也能够控制入口阀和出口阀。这种情况下，将出口阀5关闭并填充已知为体积容量v的气体贮存器4，直至入口阀3关闭。利用压力传感器8或温度传感器9，能够测量气体贮存器中的压力p和温度t，确保能够在任何时刻得出在气体贮存器中含有的气体或气体混合物的标准体积vnorm

此时，出口阀5可以再次打开。气体贮存器4中的压力p优选按照一定比例高于气体贮存器之后的下游压力，该比例使得气体从气体贮存器4流经微热传感器7的时间跨度足够长，确保能够以足够精度累加体积流量vx·a。出口阀5此时再次关闭，终止流量测量。优选安装压力传感器8，作为与测量装置出口10的出口侧相对的压差传感器。但是，还可在出口配设附加压力传感器8’。

在流量测量期间，利用微热传感器7测量了流量数据，并且被分析单元11所记录，来确定方程(9)中的系数s。由于入口阀和出口阀在流量读数后关闭，没有气体再流经微热传感器7。此时，可以进行热导率读数λ的测量。利用方程(12)确定热导率λ，进而由分析单元记录。

在分析单元11中利用这些数据累加体积流量，形成体积vsum并且将其与从气体贮存器释放的气体体积vdiff比较。此时，基于这两个体积的比较，能够确定气体特性系数s/v′x，其与气体或气体混合物的物理性质相关，其中，v′x表示由所释放的气体体积得出的流速。由于实用的原因，出于比较的目的而将用于比较的体积通过方程(17)转化至标准状态，其结果为，v′x由下式构成

其中，为转化至标准状态的所释放的气体体积，为转化至标准状态的累加体积。此后，根据所需燃烧相关量q，在分析单元11中利用方程(15)使用先前确定的关联函数qcorr＝fcorr(s/v′x)计算该值，或者使用s/v′x的值结合热导率λ，来将天然气混合物分类为高热值气体或低热值气体。

必要时，如图8b所示，可另外配备压缩机12’来提高气体贮存器中的压力，压缩机12’例如安装在气体贮存器4的入口侧。

图9显示本发明的第三实施方案的测量装置的示意结构的第二示例性实施方案，其基于气体贮存器中的低压。该所谓的低压变体有利地用于例如向终端消费者的气体供应。在该第二示例性实施方案中，除了气体贮存器4以外，测量装置包括：压力传感器8，其位于气体贮存器上；分析单元11，其被设置用于实施本发明第三实施方案的方法；微热传感器7，用于测量流量和热导率，其中，出于测量目的，气体贮存器4与微热传感器7相连接。

必要时，测量装置可以包括一个或多个下述附加部件：真空泵12，其与气体贮存器连接，使气体贮存器中生成低压；测试流路2，其通向气体贮存器4，并且其在运转中可以与主气道1连接；入口阀3，其安设在测试流路2来控制向气体贮存器的气体供应；出口阀5，其安装在气体贮存器的出口侧来控制来自气体贮存器的气体流量；出口10，用于排出来自测量装置的流出气体；附加压力传感器8’，其可以安设在测试线路2或主气道；温度传感器9，其安装在气体贮存器4中。

下面，参照图9描述本发明第三实施方案的用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的方法的另一示例性实施方案。在该示例性实施方案中，气体或气体混合物在压力下流动，该压力通常以一定比例高于气体贮存器之后的下游压力，该比例使得气体从气体贮存器4流经微热传感器7的时间跨度足够长，确保能够以足够精度累加体积流量vx·a。将累加体积流量vsum与从气体贮存器释放的气体体积vdiff进行比较，由这两个体积的比较来确定气体特性系数s/v′x，其与气体或气体混合物的物理性质相关，其中，v′x表示所释放的气体体积的流速，并且其中由该气体特性系数通过关联确定所需物理性质或燃烧相关量，该气体特性系数例如可由s/v′x＝cp·ρ/λ构成(参见方程(9))。

因此，在该方法的一个有利实施方案中，利用微热传感器7确定气体或气体混合物的热导率λ，并且例如结合气体特性系数s/v′x＝cp·ρ/λ将测量气体分类为高热值气体或低热值气体。

关于该方法的其他有利实施方案和变体，以及关于这些方法的更多细节(可在需要时使用)，参照说明书之前的部分，其中在适当的位置用术语“压力增加”代替术语“压力下降”。

图10显示如何通过已知的热导率λ(横坐标)和热扩散率λ/(cpρ)(也称为温度传导率(纵坐标))分类为高热值气体或低热值气体。位于高/低热值气体分隔线以上的低热值气体的热扩散率通常高于位于该分隔线下的具有相同热导率的高热值气体(位于x≈1.024的双箭头)。由于气体特性系数s/v′x＝cp·ρ/λ基本上等于气体混合物的热扩散率的倒数值，因此能够利用另外测量的热导率λ来区分高热值气体和低热值气体。所有值以标准状态显示(0℃,1013.25毫巴)。使用典型的高热值气体作为参比气(关于坐标(1.00,1.00)的虚线)。

上述用于确定气体或气体混合物的物理性质和/或燃烧相关量的测量装置属于一个新类别，即“利用微热传感器测量热导率和流量，累加流量值，和将所释放的体积与参比体积比较。此后，将天然气分类为高热值气体或低热值气体”。所使用的部件便宜，其能够拓展目前因成本原因而没有使用气体质量传感器的新市场。从精确性的观点出发，相比于更昂贵的市售可得设备，预期仅有一些局限，因为该装置仅使用两个而不是三个独立的测量变量用于关联。