AT517215A4

AT517215A4 - Verfahren zum Regeln einer Konditioniereinheit und Verbrauchsmesseinrichtung mit einer solchen Konditioniereinheit

Info

Publication number: AT517215A4
Application number: ATA50530/2015A
Authority: AT
Inventors: Georg Dipl Ing Lichtenegger; Vedran Burazer; Michael Buchner; Ou Jun Zhou
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN108027622A; KR20180020153A; JP2018520436A; AT517215B1; US20180275697A1; WO2016206983A2; EP3314348A2; WO2016206983A3

Abstract

Um mit einer Konditioniereinheit (3) mit einem Grundkörper (20) und einem Pufferspeicher (21), wobei ein Medium durch den Grundkörper (20) geführt wird und zwischen Pufferspeicher (21) und Grundkörper (20) eine Temperiereinheit (23) mit einer ersten Heizfläche (24) und einer zweiten Heizfläche (25) angeordnet wird und mit der Temperiereinheit (23) eine Temperaturspreizung zwischen der ersten Heizfläche (24) und der zweiten Heizfläche (25) eingestellt wird, die Temperatur eines gasförmigen oder flüssigen Mediums trotz starker Durchfluss- oder Druckschwanken des Mediums exakt einzustellen und konstant halten zu können, ist vorgesehen, dass die Konditioniereinheit (3) geregelt wird, um eine vorgegebene Solltemperatur (Tsoll) des Mediums einzuhalten, wobei eine Stellgröße (Y) zum Regeln der Konditioniereinheit (3) aus einem Modellteil (A), der die für die Temperierung des Mediums in der Konditioniereinheit (3) benötigte Leistung (Pv) berechnet, und einem Regelteil (R), der die mit dem Modellteil (A) berechnete Leistung (Pv) korrigiert, wobei ein Regelfehler (F) aus einer Solltemperatur (Tsoll) und einer Isttemperatur (Tist) exponentiell in den Regelteil (R) eingeht, zusammengesetzt wird.

Description

Verfahren zum Regeln einer Konditioniereinheit und Verbrauchsmesseinrichtung mit einer solchen Konditioniereinheit

Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Konditioniereinheit mit einem Grundkörper und einem Pufferspeicher, wobei ein Medium durch den Grundkörper geführt wird und zwischen Pufferspeicher und Grundkörper eine Temperiereinheit mit einer ersten Heizfläche und einer zweiten Heizfläche angeordnet wird und mit der Temperiereinheit eine Temperaturspreizung zwischen der ersten Heizfläche und der zweiten Heizfläche eingestellt wird, sowie die Verwendung dieses Verfahrens in einer Verbrauchsmesseinrichtung zum Messen des Verbrauchs eines gasförmigen Mediums. Weiters betrifft die Erfindung eine Verbrauchsmesseinrichtung zur Messung des Verbrauchs an gasförmigen Medium, mit einem Eingangsanschluss, an dem das gasförmige Medium der Verbrauchsmesseinrichtung zugeführt wird, und einem Ausgangsanschluss, an dem das gasförmige Medium von der Verbrauchsmesseinrichtung zur Verfügung gestellt wird, wobei zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss ein Gaspfad vorgesehen ist, in dem ein Verbrauchssensor angeordnet ist und vor dem Verbrauchssensor eine Konditioniereinheit zum Temperieren des gasförmigen Mediums angeordnet ist und zwischen der Konditioniereinheit und dem Verbrauchsensor einer Druckregeleinheit angeordnet ist, in der das gasförmige Medium druckentspannt wird.

Zur exakten Messung des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand ist eine genaue Konditionierung der Temperatur und des Druckes des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffes notwendig. Die Messung des Kraftstoffverbrauchs erfolgt dabei oftmals mit einem bekannten Coriolis-Durchflusssensor. Dabei wird für flüssigen Kraftstoff oftmals ein Vorkreis und ein Messkreis ausgebildet, in denen flüssiger Kraftstoff im Kreis gefördert wird. Zwischen Vorkreis und Messkreis ist der Durchflusssensor angeordnet. Der Messkreis wird über den zu versorgenden Verbrennungsmotor geschlossen. Die bei flüssigen Kraftstoff-Versorgungssystemen übliche Spülmenge wird damit in den Messkreis rückgeführt. Der Vorkreis dient dazu, dem Messkreis die im Verbrennungsmotor verbrauchte Menge an Kraftstoff zu zuführen. Damit misst der dazwischen angeordnete Durchflusssensor genau die verbrauchte Menge an flüssigen Kraftstoff. Da flüssiger Kraftstoff einen nennenswerten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, muss die Temperatur im Messkreis möglichst konstant gehalten werden, um mögliche Messfehler durch Volumenänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen des Kraftstoffes im Messkreis vorzubeugen. Nachdem die dem Messkreis rückgeführte Spülmenge durch das Kraftstoffversorgungssystem des Verbrennungsmotors erwärmt wird, ist eine Temperierung des Kraftstoffes im Zulauf zum Verbrennungsmotor notwendig. Auch im Vorkreis sind für exakte Verbrauchsmessungen Volumenänderungen infolge von Temperaturschwankungen zu vermeiden. Daher wird auch der Kraftstoff im Vorkreis temperiert. Darüber hinaus ist auch der Druck des flüssigen Kraftstoffes, der dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, mittels Druckregelungseinheiten möglichst konstant geregelt. Dazu kommt noch, dass sowohl die Temperatur, als auch der Druck des Kraftstoffes vom aktuellen Durchfluss abhängig sind. Beispiele für eine solche Messung des Kraftstoffverbrauchs sind in der US 2014/0123742 A1 und der EP 1 729 100 A1 zu finden, die auf die Konditionierung von flüssigen Kraftstoffen abstellt. Darin wird die Temperatur des Kraftstoffes über einen Wärmetauscher mit einer Kühlflüssigkeit geregelt. Ein solcher Wärmetauscher ist aber träge und lässt nur langsame Temperaturänderungen zu, was aber für flüssigen Kraftstoff ausreichend ist, da die Temperatur nur möglichst konstant zu halten ist. Abgesehen davon bedingt ein solcher Wärmetauscher zusätzliche Bauteile und Steuerungen zum Betreiben des Wärmetauschers, was die Anlage auch aufwendiger macht.

Die oben beschriebenen Systeme zur Messung des Kraftstoffverbrauchs eines Verbrennungsmotors sind grundsätzlich auch bei gasförmigen Kraftstoff, z.B. für einen Gasmotor, anwendbar. Allerdings ist ein solches System bei gasförmigen Kraftstoffen ungünstig, da entsprechende Verdichter oder Gebläse zum Zirkulieren des gasförmigen Kraftstoffes im Vorkreis und Messkreis notwendig wären, was das System erheblich verteuern und vergrößern würde. Abgesehen davon würde ein Verdichter die Temperatur des gasförmigen Mediums wieder massive beeinflussen, was kontraproduktiv zum Ziel der Temperaturregelung ist.

Bei gasförmigen Kraftstoffen, wie Erdgas oder Wasserstoff, tritt das zusätzliche Problem auf, dass der gasförmige Kraftstoff in der Regel unter hohem Druck vorliegt bzw. geliefert wird und folglich für die Verwendung als Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor (hier Gasmotor) zuerst auf einen benötigten, niedrigeren Druck entspannt werden muss. Beim Entspannen des gasförmigen Kraftstoffes kann sich der Kraftstoff aber stark abkühlen (Joule-Thomson-Effekt), was für nachfolgende Komponenten der Konditionieranlage problematisch sein kann, beispielsweise durch entstehendes Kondensat und das Vereisen der Gasleitungen oder anderen Komponenten in der Gasleitung. Daher wird der gasförmige Kraftstoff vor dem Entspannen in der Regel erwärmt, sodass sich durch das Entspannen eine erwünschte Temperatur des Kraftstoffes ergibt. Aufgrund von Schwankungen im Druck des zugeführten gasförmigen Kraftstoffes und auch aufgrund der Abhängigkeit der Temperatur nach dem Entspannen von der Zusammensetzung des gasförmigen Kraftstoffes, kann die Temperatur nach dem Entspannen stark variieren. Für solch stark variierenden Temperaturen am Eingang ist ein System wie in der US 2014/0123742 A1 oder der EP 1 729 100 A1 beschrieben aber nicht geeignet. Die darin beschriebenen, trägen Wärmetauscher sind normalerweise nicht in der Lage, starke Temperaturschwankungen auszugleichen.

Ein Wärmetauscher ist träge und lässt nur langsame Temperaturänderungen zu. Damit ist die beschriebene Konditionierung mittels Wärmetauscher für starke Lastwechsel ungeeignet.

Dies führt beim aktuellen Stand der Technik dazu, dass nach einem derartigen Lastwechsel eine Beruhigungszeit eingehalten werden muss. Während dieser Zeit ist die Temperatur nicht stabil und für Durchflusssensoren ist keine hochpräzise Messung möglich. Für einen von den Eingangstemperaturänderungen unabhängigeren Betrieb müsste entweder die Leistungsdichte des Wärmetauschers erhöht werden. Dies ist aber nicht so ohne weiteres technisch realisierbar und erfordert, falls überhaupt möglich, ein Redesign des Wärmetauschers. Bei gleichbleibender Leistungsdichte ergäbe sich wiederum einen erheblich größeren Platzbedarf. Eine weitere Möglichkeit bestünde möglicherweise in einem aggressiveren Regelverhalten des Wärmetauschers. Dies bedeutet aber wiederum größeres Über- und Unterschwingen und damit einhergehend eine schlechtere Dynamik hinsichtlich möglicher Solltemperaturänderungen. Den Wärmetauscher zu vergrößern würde aber auch nur bei Flüssigkeiten helfen. Bei gasförmigen Medien bewirkt eine Durchflussänderung unmittelbar eine Druckänderung und eine Solltemperaturänderung. Damit müsste der Wärmetauscher extrem schnelle Solltemperaturänderungen ermöglichen, was aber für einen mit Kühlflüssigkeit betriebenen Wärmetauscher nicht praktikabel realisierbar ist. Dazu müsste die zur Verfügung stehende Leistung bei gleichbleibender Masse noch weiter erhöht werden, ausschließlich die Leistung zu erhöhen hätte in diesem Fall keinen Nutzen. Alternativ bleibt noch den Regler des Wärmetauschers noch aggressiverer einzustellen, was aber wiederum noch größeres Über- und Unterschwingen nach sich ziehen würde. Eine genaue und schnelle Temperaturregelung wäre damit nicht möglich.

Bei gasförmigen Medien bewirkt eine Durchflussänderung aber unmittelbar eine Druckänderung und eine Solltemperaturänderung. Damit müsste der Wärmetauscher extrem schnelle Solltemperaturänderungen ermöglichen, was aber für einen mit Kühlflüssigkeit betriebenen Wärmetauscher nicht praktikabel realisierbar ist. Abgesehen davon bringt eine bloße Leistungserhöhung hinsichtlich der Dynamik kaum etwas, da für eine Sollwertänderung nur die Leistungsdichte maßgeblich ist und nicht die absolute Leistung. Eine genaue und schnelle Temperaturregelung bei starken Durchflussschwankungen wäre damit mit einer Konditionierung mittels Wärmetauscher nicht möglich. Das gilt sowohl für gasförmige, als auch flüssige zu konditionierende Medien.

Es ist daher eine erste Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ein Verfahren zum Regeln einer Konditioniereinheit der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die Temperatur eines gasförmigen oder flüssigen Mediums trotz starker Durchfluss- oder Druckschwanken des Mediums exakt eingestellt und konstant gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Konditioniereinheit geregelt wird, um eine vorgegebene Solltemperatur des gasförmigen Mediums einzuhalten, wobei eine Stellgröße zum Regeln der Konditioniereinheit aus einem Modellteil, der die für die Vor wärmung des gasförmigen Mediums in der Konditioniereinheit benötigte Leistung berechnet, und einem Regelteil, der die mit dem Modellteil berechnete Leistung korrigiert, wobei ein Regelfehler aus Solltemperatur und Isttemperatur exponentiell in den Regelteil eingeht, zusammengesetzt wird. Mit dem Modellteil kann die für die Temperierung des gasförmigen Mediums benötigte Leistung grob berechnet werden. Für die genaue Regelung sorgt dann der Regelteil, der den Modellteil korrigiert. Durch die exponentielle Berücksichtigung des Regelfehlers im Regelteil wird die Wärmeausbreitung in der Konditioniereinheit approximiert, wodurch eine besonders genaue Regelung der Konditioniereinheit möglich wird.

Die Konditioniereinheit ist dabei erfindungsgemäß bevorzugt mit einem Grundkörper, in dem eine vom gasförmigen Medium durchströmte Medienleitung angeordnet ist, und mit einem Pufferspeicher zum Speichern von Wärme ausgeführt ist, wobei zwischen Grundkörper und Pufferspeicher eine Temperiereinheit angeordnet ist. Mit dieser Konditioniereinheit können schnelle Regeleingriffe realisiert werden, die für die schnelle, genaue und stabile Temperaturregelung in der Konditioniereinheit notwendig sind.

Bei Gasmotoren kann der Durchfluss an gasförmigen Kraftstoff auch stark von der Last des Gasmotors abhängen. Das bedeutet wiederum, dass die Wärmetauscher in der US 2014/0123742 A1 oder der EP 1 729 100 A1 zum Temperieren das gasförmigen Kraftstoffes im Vorkreis und auch im Messkreis in der Lage sein müssten, mit solchen stark schwankenden Durchflüssen umzugehen. Die beschriebenen, trägen Wärmetauscher sind aber üblicherweise nicht dafür geeignet, oder müssten entsprechend dimensioniert werden, was diese aber wiederum aufwendiger und teurer machen würde.

Abgesehen davon wäre eine Temperaturregelung für gasförmigen Kraftstoff mit solchen Wärmetauschern auch ungenau, insbesondere müsste man mit signifikantem Übertemperieren (Überhitzen oder Unterkühlen) nach einer Durchfluss oder Druckänderung rechnen.

Des Weiteren sind die üblichen Anlagen für flüssige Kraftstoffe in der Regel nur bis 10 bar druckfest. Für gasförmige Kraftstoffe benötigt man aber für eine Vorwärmung bis zu 300bar Druckfestigkeit. Das schließt herkömmliche Anlagen für einen Großteil der Einsatzgebiete mit gasförmigen Kraftstoffen von vornherein aus.

Die bekannten Vorrichtungen zum exakten Messen eines Verbrauchs von flüssigen Kraftstoff eines Verbrennungsmotors sind daher für gasförmige Kraftstoffe eher nicht, oder nur bedingt, geeignet. Gasförmige Kraftstoffe benötigen daher einen anderen Ansatz, um den Verbrauch von gasförmigem Kraftstoff exakt und mit vertretbarem Aufwand messen zu können.

Bekannt sind Gas-Druckregelanlagen in Erdgasnetzen zur Druckreduzierung des hohen Transportdrucks auf einen benötigten Verbrauchsdruck, in denen auch eine Gasmengen messung integriert sein kann. Solche Gas-Druckregelanlagen umfassen in der Regel einen eingangsseitigen Erdgasvorwärmer, oftmals in Form eines Wasserheizbades, durch die das Erdgas in Rohren durchgeführt wird, oder eines Wasser/Erdgas-Wärmetauschers. Mit dem Erdgasvorwärmer wird das Erdgas vor der Entspannung auf den Verbrauchsdruck erwärmt, um einer Abkühlung aufgrund des Joule-Thomson-Effekts auszugleichen. Solche Gas-Druckregelanlagen unterliegen allerdings weder einer hohen Anforderung an die Genauigkeit des Ausgangsdruckes, noch besonderen Anforderungen an die Ausgangstemperatur. Auch die Auswirkungen eines sich zeitlich langsam ändernden Durchflusses sind bei solchen Gas-Druckregelanlagen zu vernachlässigen. Schnelle, abrupte Durchflussänderungen kommen bei solchen Gas-Druckregelanlagen ohnehin nicht vor.

Die erforderliche Wärmeleistung für die Gasvorwärmung des zugelieferten gasförmigen Kraftstoffes zum Erreichen einer gewünschten Temperatur nach der Entspannung kann nach einer bekannten Formel berechnet werden und wird in solchen Gas-Druckregelanlagen verwendet, um den Erdgasvorwärmer zu regeln. Diese Formel könnte auch in einer Temperaturregelung eines Wärmetauschers zum Temperieren des gasförmigen Kraftstoffes verwendet werden. Allerdings kann damit nur für relativ langsame Durchflussänderungen eine ausreichende Regelgenauigkeit erzielt werden. Für eine Gas-Druckregelanlage, in der sich der Durchfluss nur wenig, und wenn dann nur langsam, ändert, kann man damit das Auslangen finden. In einer Anwendung, in der sich der Durchfluss aber hochdynamisch (im Sinne von raschen und auch starken Durchflussänderungen) ändern kann, wie beispielsweise bei der Verbrauchsmessung einer Verbrennungskraftmaschine (wie z.B. ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine), ist die erreichbare Genauigkeit der Temperaturregelung mit diesem bekannten Ansatz aber unzureichend. Ähnliche Probleme beim exakten Messen eines Verbrauchs treten allgemein überall dort auf, wo einem Verbraucher zum Betrieb des Verbrauchers ein gasförmiges Medium zugeführt wird, wobei das gasförmige Medium unter einem Druck, der über dem Verbrauchsdruck im Verbrauchers liegt, vorliegt oder geliefert wird. Weitere Beispiele neben einer Verbrennungskraftmaschine, bei denen ähnliche Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, ist eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff versorgt wird, ein Raketentriebwerk oder ein Strahltriebwerk.

Die Regelung des Druckes des gasförmigen Mediums ist dabei mit herkömmlichen geregelten Druckregeleinrichtungen verhältnismäßig einfach erreichbar. Die Regelung der Temperatur des Mediums ist dahingegen aufgrund der oben erwähnten Probleme erheblich schwieriger zu erreichen.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ein Verfahren zur Messung des Verbrauchs an gasförmigen Kraftstoff eines Verbrauchers anzugeben, die den gasförmigen Kraftstoff am Ausgang trotz hochdynamisch schwankender Durchflüsse und/oder Drücken mit möglichst konstanter Temperatur zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das gasförmige Medium entlang eines Gaspfades durch eine Verbrauchsmesseinrichtung strömt und dabei der Verbrauch mit einem Verbrauchssensor gemessen wird und das gasförmige Medium vor dem Verbrauchssensor mit der Konditioniereinheit temperiert wird und das gasförmige Medium zwischen der Konditioniereinheit und dem Verbrauchsensor druckentspannt wird, und die Konditioniereinheit gemäß dem erfindungsgemäßen Regelverfahren geregelt wird.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Konditioniereinheit ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüche und der Beschreibung der Erfindung.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Flussschema einer erfindungsgemäßen Verbrauchsmesseinrichtung,

Fig.2 die Verbrauchsmesseinrichtung in einer alternativen Ausgestaltung,

Fig.3 eine Konditioniereinheit,

Fig.4 eine Konditioniereinheit mit aktiver Kühlung im Pufferspeicher und

Fig.5 eine bevorzugte Ausgestaltung einer Verbrauchsmesseinrichtung.

Die Erfindung geht für die Verbrauchsmessung von einem ähnlichen Aufbau aus, wie aus einer Gas-Druckregelanlage bekannt, wie in Fig.1 dargestellt ist. Die Verbrauchsmesseinrichtung 1 entnimmt einer Medienversorgung 2 ein gasförmiges Medium. Die Medienversorgung 2 kann beispielswiese eine Gasleitung oder ein Medienbehälter, wie z.B. eine Gasflasche, sein. Das gasförmige Medium wird der Medienversorgung 2 in der Regel mit einem nicht konstanten Eingangsdruck pe entnommen und durchströmt die Verbrauchsmesseinrichtung 1 entlang eines Gaspfades 17. Der Eingangsdruck pe kann dabei Drücke von bis zu 300bar und darüber annehmen. Das entnommene gasförmige Medium wird einer Konditioniereinheit 3 im Gaspfad 17 zugeführt, in der das gasförmige Medium auf eine bestimmte Temperatur Ta erwärmt wird. Danach wird das erwärmte gasförmige Medium einer Druckregeleinheit 4 zugeführt, in der das gasförmige Medium auf einen Entspannungsdruck pred entspannt wird. Durch die Entspannung in der Druckregeleinheit 4 ändert sich auch die Temperatur des gasförmigen Mediums auf eine Entspannungstemperatur Tred. Bei Erdgas als gas förmiges Medium kommt es durch den Joule-Thomson-Effekt zu einer Abkühlung des gasförmigen Mediums. Bei Wasserstoff, kann es durch die Entspannung sogar zu einer Erwärmung des gasförmigen Mediums kommen. Nach der Entspannung in der Druckregeleinheit 4 wird das gasförmige Medium einem Verbrauchssensor 5 zugeführt, z.B. einem Massenflusssensor oder einem Durchflusssensor, beispielsweise in Form eines bekannten Coriolis-Sensors. Das gasförmige Medium verlässt die Verbrauchsmesseinrichtung 1 mit einem Ausgangsdruck pa und einer Ausgangstemperatur Ta und wird einem Verbraucher 6 zugeführt, z.B. einem Verbrennungsmotor, einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle. Der Verbrauch an gasförmigem Medium durch den Verbraucher 6 wird damit durch den Verbrauchssensor 5 gemessen. Für eine genaue Messung ist eine hohe Temperaturstabilität und Druckstabilität erforderlich.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 entspricht der Ausgangsdruck pa und die Ausgangstemperatur Ta im Wesentlichen dem Entspannungsdruck pred und der Entspannungstemperatur Tred nach der Druckregeleinheit 4. In einer alternativen Ausführung kann die Druckentspannung auch zweistufig (oder auch mehrstufig) ausgeführt sein, wie anhand von Fig.2 erläutert wird. Hier wird das gasförmige Medium vor dem Verbrauchssensor 5 auf einen Entspannungsdruck pred und eine Entspannungstemperatur Treci gebracht, mit der der Verbrauch gemessen wird. In Strömungsrichtung nach dem Verbrauchssensor 5 ist eine zweite Druckregeleinheit 7 angeordnet, die das gasförmige Medium auf den Ausgangsdruck pa entspannt, womit sich auch die Ausgangstemperatur Ta ergibt. Gewisse Verbrauchssensoren 5, wie z.B. vorzugsweise verwendete Coriolis-Sensoren, haben bei höheren Drücken und damit bei höheren Dichten des gasförmigen Mediums eine höhere Genauigkeit. Daher kann es vorteilhaft sein, zuerst nur auf einen Druck zu entspannen, der eine ausreichend hohe Messgenauigkeit ergibt und erst danach auf den benötigen niedrigeren Ausgangsdruck pa zu entspannen. Für eine genaue Verbrauchsmessung des gasförmigen Mediums durch den Verbraucher 6 ist der Ausgangsdruck pa und die Ausgangstemperatur Ta möglichst konstant zu halten. Der Ausgangsdruck pa und die Ausgangstemperatur Ta sind aber stark abhängig vom Eingangsdruck und der Eingangstemperatur Te, von der Zusammensetzung des entnommenen gasförmigen Mediums (aufgrund des Joule-Thomson-Effekts), sowie vom Durchfluss, der über die Zeit, aber auch in der Amplitude, stark variieren kann. Um diese Einflüsse ausregeln zu können, bedarf es einerseits eine Druckregelung des Ausgangsdruckes pa und insbesondere eine hochdynamische Temperaturregelung der Konditioniereinheit 3.

Die Druckregelung des Ausgangsdruckes pa kann mit herkömmlichen Druckregeleinheiten 4, 7, z.B. in Form von einstellbaren Druckregelventilen, mit ausreichender Genauigkeit erfolgen. Der Ausgangsdruck pa wird daher bevorzugt in einer übergeordneten Druckregelschleife geregelt werden. Dazu kann am Ausgang der Verbrauchsmesseinrichtung 1 ein Drucksensor 8 vorgesehen sein, der den Ausgangsdruck pa erfasst und einer Regelungseinheit 10, vorzugsweise in digitaler Form, zuführt. Die Regelungseinheit 10 steuert die erste Druckregeleinheit 4 (Fig. 1), bzw. die erste und/oder die zweite Druckregeleinheit 4, 7 (Fig.2), an, um den gewünschten bzw. vorgegebenen Ausgangsdruck pa einzustellen. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig.2 ist die erste Druckregeleinheit 4 beispielsweise auf einen konstanten Entspannungsdruck preci eingestellt und der Ausgangsdruck pa wird nur über die zweite Druckregeleinheit 7 geregelt. Für die Regelung der Temperatur kann die Ausgangstemperatur Ta mit einem Temperatursensor 9 erfasst und der Regelungseinheit 10, vorzugsweise in digitaler Form, zugeführt werden. Hier ist anzumerken, dass die Erfindung im nachfolgenden anhand der Messung der Ausgangstemperatur Ta beschrieben wird, aber im Prinzip die Temperatur an jeder beliebigen Stelle der Verbrauchsmesseinrichtung 1 herangezogen werden könnte. Insbesondere könnte anstatt der Ausgangstemperatur Ta gleichermaßen auch die Entspannungstemperatur Tred, die Temperatur Τ·\ nach der Konditioniereinheit 3 oder die Temperatur Ts im Verbrauchssensor 5 verwendet werden. Die Regelungseinheit 10 errechnet aus der gemessenen Temperatur, z.B. Ausgangstemperatur Ta, Temperatur nach der Konditioniereinheit 3, Entspannungstemperatur Tred oder Temperatur Ts im Verbrauchssensor 5, eine Stellgröße Y für die Konditioniereinheit 3, mit der die Konditioniereinheit 3 angesteuert wird. Dazu kann der Regelungseinheit 10 auch noch der aktuelle Durchfluss V, der vom Verbrauchssensor 5 gemessen wird, zugeführt werden.

Die gewünschte Ausgangstemperatur Ta wird damit durch Regelung der Konditioniereinheit 3 in Abhängigkeit vom aktuellen Durchfluss V, und auch in Abhängigkeit vom aktuellen Ausgangsdruck pa, geregelt. Um eine genaue Temperaturregelung der Ausgangstemperatur Ta bei hochdynamisch schwankenden Durchfluss V zu ermöglichen, ist eine spezielle Konditioniereinheit 3 vorgesehen, die mit einem speziellen Regelungsverfahren kombiniert wird.

Die Konditioniereinheit 3, wie in Fig.3 stark vereinfacht dargestellt, ist mit einem Grundkörper 20 ausgeführt, durch den eine Medienleitung 22 durchgeführt ist, durch die das zu konditionierende gasförmige Medium durchströmt. Am Grundkörper 20 ist eine Temperiereinheit 23 angeordnet, an der wiederum ein Pufferspeicher 21 zum Speichern von Wärme angeordnet ist. Der Grundkörper 20 liegt nicht direkt am Pufferspeicher 21 an, sondern ist durch die Temperiereinheit 23 thermisch davon getrennt. Der Pufferspeicher 21 ist vorzugsweise als Kühlkörper mit einer gewissen Speichermasse ausgeführt. Damit ist der Kühlkörper nicht auf maximale Wärmeabfuhr ausgelegt, wie an sich bei Kühlkörpern üblich, sondern der Kühlkörper soll einen gewissen Teil der abzuführenden Wärme zumindest für eine gewisse Zeitspanne speichern. Die Temperiereinheit 23 dient dazu, den Grundkörper 20 und damit das durchströmende Medium zu temperieren. Hierzu ist die Temperiereinheit 23 in der Lage, den Grundkörper 20 zu erwärmen und abzukühlen.

Die Temperiereinheit 23 ist vorteilhafterweise als zumindest ein thermoelektrisches Modul (Peltierelement), vorzugsweise eine Anzahl von thermoelektrischen Modulen, ausgeführt. Ein thermoelektrisches Modul ist bekanntermaßen ein Halbleiterelement, das zwischen einer ersten Heizfläche 24 und einer zweiten Heizfläche 25 angeordnet ist. Je nach Polarität der dem Halbleiterelement zugeführten elektrischen Versorgungsspannung ist entweder die erste Heizfläche 24 wärmer als die zweite Heizfläche 25, oder umgekehrt. Damit kann mit einem solchen thermoelektrischen Modul je nach Polarität der Versorgungsspannung der Grundkörper 20 sowohl geheizt, als auch gekühlt werden. Nachdem der Aufbau und die Funktion solcher thermoelektrischen Module hinreichend bekannt sind und solche thermoelektrischen Module kommerziell in verschiedenen Leistungsklassen erhältlich sind, wird hier nicht näher darauf eingegangen.

Wird an ein thermoelektrisches Modul eine elektrische Versorgungsspannung angelegt, so wird bekanntermaßen eine der Heizflächen 24, 25 des thermoelektrischen Moduls abgekühlt, während sich gleichzeitig die gegenüberliegende Heizfläche erwärmt. Die maximale Temperaturspreizung zwischen den beiden Heizflächen 24, 25 hängt von der Betriebstemperatur (Temperatur an der wärmeren Heizfläche) des thermoelektrischen Moduls ab. Je höher die Betriebstemperatur, desto höher ist die maximale erreichbare Temperaturspreizung zwischen kalter und heißer Heizfläche. Dadurch können mit verfügbaren thermoelektrischen Modulen Temperaturen von bis zu 200°C an der heißen Heizfläche erreicht werden, wobei die kalte Heizfläche 100°C nicht überschreitet. Durch einfaches Umpolen der Versorgungsspannung kann schnell zwischen Kühlen und Erwärmen umgeschaltet werden. Nachdem das durch die Konditioniereinheit 3 strömende gasförmige Medium temperiert werden soll, bedeutet Erwärmen, dass die am Grundkörper 20 anliegende Heizfläche 24 heißer ist, als die gegenüberliegende Heizfläche 25. Abkühlen bedeutet demnach, dass die Heizfläche 25 die heißere Heizfläche ist und die am Grundkörper anliegende Heizfläche 24 die kühlere. Für die Temperierung des gasförmigen Mediums muss aber nicht unbedingt die Polarität der Versorgungsspannung geändert werden, wenn die Temperatur des gasförmigen Mediums abgesenkt oder erhöht werden soll. Dafür kann auch die Temperaturspreizung zwischen den Heizflächen 24, 25 genutzt werden. Kleinere Regeleingriffe können damit über die Temperaturspreizung erfolgen, während große Regeleingriffe vorzugsweise durch Umpolen der Versorgungsspannung des thermoelektrischen Moduls erfolgen.

Die Regelung über die Temperaturspreizung wird unterstützt, indem der Pufferspeicher 21 im Heizbetrieb, also wenn das Medium in der Medienleitung 22 erwärmt werden soll, als Wärmespeicher verwendet wird. Bei konstanter Spannungsversorgung der thermoelektrischen Module, stellt sich an den thermoelektrischen Modulen eine stabile Temperaturspreizung ein. Sobald nun weniger thermische Energie bzw. Wärme zum Temperieren des Mediums benötigt wird, wird die Versorgungsspannung an den thermoelektrischen Modulen reduziert, womit auch die Temperaturspreizung geringer wird. Damit sinkt die Temperatur an der am Grundkörper 20 anliegenden Heizfläche 24 des thermoelektrischen Moduls. Gleichzeitig steigt die Temperatur an der gegenüberliegenden Heizfläche 25. Es entsteht damit ein Temperaturgradient zwischen der Heizfläche 25 und dem daran anliegenden Pufferspeicher 21, wodurch Wärme in den Pufferspeicher 21 fließt (angedeutet durch den Wärmefluss Q) und dort aufgrund der thermischen Speichermasse nicht sofort an die Umgebung abgeführt wird, sondern (zumindest für eine begrenzte Zeit) zwischengespeichert wird. Diese zwischengespeicherte Wärme steht der Temperaturregelung als Unterstützung zur Verfügung, wenn wieder mehr thermische Energie zum Temperieren des Mediums benötigt wird. In diesem Fall würde die Versorgungsspannung wieder angehoben werden, womit die Temperaturspreizung an den thermoelektrischen Modulen wieder ansteigt. Damit sinkt die Temperatur an der Heizfläche 25, an der der Pufferspeicher 21 anliegt, gegenüber der Temperatur des Pufferspeichers 21 ab. Dadurch entsteht ein umgekehrter Temperaturgradient, der dazu führt, dass die im Pufferspeicher21 gespeichertethermische Energie in den Grundkörper20 fließt (angedeutet durch den Wärmefluss Q) und somit die thermoelektrischen Module beim Temperieren des Mediums unterstützt. Damit kann auf schnelle Lastwechsel bzw. Temperaturänderungen sehr schnell und präzise reagiert werden und ein typisches Übertemperieren kann weitestgehend vermieden werden. Hierzu ist es vorteilhaft, die thermische Speichermasse des Pufferspeichers 21 an die thermische Speichermasse von Grundkörper 2 und darin angeordneter Medienleitung 6 anzupassen, um diesen Effekt bestmöglich auszunutzen.

Obwohl die Konditioniereinheit 3 oben anhand eines thermoelektrischen Moduls als Temperiereinheit 23 beschrieben ist, sind natürlich auch andere Ausgestaltungen einer Temperiereinheit 23 denkbar. Die Temperiereinheit 23 muss dazu lediglich in der Lage sein, die Temperaturspreizung zwischen den Heizflächen 24, 25 zu verändern. Physikalisch betrachtet, entspricht die Funktionsweise eines thermoelektrischen Moduls einer Wärmepumpe, die thermische Energie aus einem Bereich mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur überträgt. Das Umpolen der Versorgungsspannung entspricht das Vorsehen von zwei Wärmepumpen, die entgegengesetzt betrieben werden. Damit kommt als Temperiereinheit 23 im Prinzip jede Gerätschaft in Frage, die sich unter den Begriff einer Wärmepumpe einordnen lässt.

Um diesen Vorteil der Konditioniereinheit 3 auch regelungstechnisch ausnutzen zu können, was eine Voraussetzung für eine schnelle und genaue Regelung darstellt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der beschriebene Wärmefluss Q zwischen dem Pufferspeicher 21 und dem Grundkörper 20, durch den das Medium fließt, in der Regelung berücksichtigt wird. Dazu wird ein Regler entworfen, der aus einer Solltemperaturvorgabe Tson, eine Stellgröße Y für die Konditioniereinheit 3 ermittelt. Die Konditioniereinheit 3 wird mit der Stellgröße Y an-gesteuert und sorgt für eine stabile und konstante Temperatur des Mediums.

Die Stellgröße Y wird aus einem Modellteil A und einem Regelteil R zusammengesetzt, also Y = A + R. Der Modellanteil A modelliert die Konditioniereinheit 3 und dient dazu, bestmöglich die für die Temperierung des Mediums in der Konditioniereinheit 3 benötigte Energie bzw. Leistung Pv zu berechnen und für die Regelung in eine Stellgröße umzuwandeln. Die für die Konditionierung eines gasförmigen Mediums benötigte Leistung PG, um nach einer Druckentspannung eine Solltemperatur Tson zu erreichen kann anhand des bekannten formelmäßigen Zusammenhanges

berechnet werden. Ohne Joule-Thomson Effekt reduziert sich die Leistung PG auf die Leistung, die zur Temperierung (Heizen oder Kühlen) des Mediums benötigt wird. Dabei wird der aktuelle Durchfluss V vom Verbrauchssensor 5 gemessen und zur Verfügung gestellt. Die spezifische Wärmekapazität HG des Mediums ist eine Konstante und bekannt. Die Eingangstemperatur Te kann mit einem geeigneten Temperatursensor 11, z.B. ein PT100 Sensor, gemessen werden. Die Druckdifferenz ÄpG gibt die Druckentspannung vom Eingangsdruck pe auf den Entspannungsdruck pred, die beide mittels geeigneter Drucksensoren 8, 12 gemessen werden können, an, also ÄpG = (pe - pred)· Bei einer Ausführung nach Fig.2 kann der Entspannungsdruck preci auch bekannt sein. Mit pJT wird der bekannte Joule-Thomson Koeffizient des gasförmigen Mediums bezeichnet. Für ein flüssiges Medium ist der Joule-Thomson Koeffizient auf Null zu setzen.

Optional kann auch noch eine Verlustleistung PL in der Konditioniereinheit 3 berücksichtigt werden. Für eine sehr genaue und schnelle Regelung sollte die Verlustleistung PL Berücksichtigung finden. Die Verlustleistung PL kann beispielsweise als die an die Umgebung mit der Umgebungstemperatur Tamb der Konditioniereinheit 3 abgegebene Wärme modelliert werden. Die Umgebungstemperatur Tamb kann wieder mittels eines geeigneten Temperatursensors 13, z.B. ein PT100 Sensor, gemessen werden. Mit einer aus der konkreten Ausfüh- rung der Konditioniereinheit 3 gewonnenen und als bekannt vorausgesetzten empirischen Konstanten kPL kann die Verlustleistung PL dann gemäß der Formel

berechnet werden.

Die für dieTemperierung in der Konditioniereinheit 3 benötigte Leistung Pv ergibt sich dann aus

, die als Modellanteil A verwendet werden kann. Um daraus eine einfach zu verarbeitende Stellgröße für die Regelung zu ermitteln, kann die benötigte Leistung Pv auch in Relation zur in der Konditioniereinheit 3 maximal verfügbaren Leistung Pv,max gesetzt werden, also Modellanteil

. Der Modellanteil A ist damit ein Parameter im Bereich von [0, 1] bzw. [-1, 1] wenn in der Konditioniereinheit 3 auch zwischen Heizen und Kühlen umgeschaltet werden kann.

In einer konkreten Ausgestaltung der Konditioniereinheit 3 mit einem thermoelektrischen Modul als Temperiereinheit 23 kann die benötigte Leistung Pv auch in eine Versorgungsspannung Uv, die an die thermoelektrischen Module anzulegen ist, umgerechnet werden. Mit einem ohmschen Widerstand RCu der thermoelektrischen Module in der Konditioniereinheit 3 kann die Versorgungsspannung Uv aus dem bekannten Zusammenhang

berechnet werden. Analog zu oben kann der Modellanteil A mit einer maximal möglichen

Versorgungsspannung

als

berechnet werden.

Der ohmsche Widerstand RCu eines thermoelektrischen Moduls ist in der Regel aber nicht bekannt und zusätzlich noch temperaturabhängig. Um den ohmschen Widerstand Reu bestimmen zu können, wurde aus Versuchen der empirische Zusammenhang

ermittelt, aus dem der ohmsche Widerstand RCu bei Kenntnis der Isttemperatur Tist (die einfach gemessen werden kann) der thermoelektrischen Module berechnet werden kann. Darin sind Rcu2o und Rcuiso empirische Konstanten, die den ohmschen Widerstand RCu des thermoelektrischen Moduls bei einer Temperatur von 20°C und 150° angeben.

Der Regelanteil R der Stellgröße Y dient zum hochdynamischen, genauen Regeln der Ausgangstemperatur Ta (oder einer anderen Temperatur wie oben erwähnt) unter Ausnutzung der im Pufferspeicher 21 verfügbaren Wärmemenge. Nachdem mit dem Modellteil A die benötige Leistung Pv zur Temperierung, um die Solltemperatur Tson zu erreichen, bereits grob geregelt wird, muss der Regelanteil R nur mehr kleine Korrekturen der Stellgröße Y vornehmen, um das gewünschte genaue Regelverhalten zu erreichen.

Wie oben ausgeführt, spielt in der erfindungsgemäßen Konditioniereinheit 3 der Wärmefluss Q zwischen Grundkörper 20 und Pufferspeicher 21 eine entscheidende Rolle. Um diesen Wärmefluss Q in der Regelung zu berücksichtigen, geht der Regelfehler F nicht linear in den Regelteil R ein, sondern exponentiell, also R = f(eF). Der Grund dafür liegt in der Lösung der Wärmeleitungsgleichung, die ebenfalls eine exponentielle Komponente enthält. Die Regelabweichung F ist in der vorliegenden Ausgestaltung die Differenz zwischen der Solltemperatur Tson und der Isttemperatur Tist.

Hierzu ist anzumerken, dass sich sowohl die Solltemperatur Tson als auch die Isttemperatur Tist auf die Temperatur bezieht, die geregelt werden soll, also z.B. Ausgangstemperatur Ta, Temperatur Τ·\ nach der Konditioniereinheit 3, Entspannungstemperatur Treci oder Temperatur Ts im Verbrauchssensor 5. Es ist aber durchaus möglich, die Solltemperatur TSOii und die Isttemperatur Tist im Modellteil A und im Regelteil R auf verschiedene Temperaturen zu beziehen, also z.B. die Temperatur Ts im Verbrauchssensor 5 im Modellteil A und die Ausgangstemperatur Ta im Regelteil R. Für den Regelteil R kann ein klassischer regelungstechnischer Ansatz gewählt werden, in dem der Regelteil R zur Ausbildung eines PI-Reglers aus einem Proportionalteil YP und einem Integralteil Y| zusammengesetzt wird, also R = YP + Y|. Im Folgenden wird eine mögliche konkrete Ausgestaltung des Regelteils R, bzw. des Proportionalteils YP und des Integralteils Y, beschrieben.

Ein herkömmlicher Proportionalregler besteht aus einem Verstärkungsfaktor KP, der den Regelfehler F gewichtet, also KP-F. Ein herkömmlicher Integralregler besteht aus einem Verstärkungsfaktor Ki, der den Regelfehler F in Abhängigkeit von der Zeit t gewichtet, also KrF-t, mit dem Verstärkungsfaktor K| als Kehrwert der Nachstellzeit Tn.

In den Proportionalteil YP und den Integralteil Y| des erfindungsgemäßen Reglers geht der Regelfehler F als exponentielle Funktionen fP(eF) bzw. f|(eF) des Regelfehlers F ein. Damit ergibt sich der Proportionalteil YP im einfachsten Fall zu YP = KP fP(eF) und der Integralteil Y| im einfachsten Fall zu Y| = K| f|(eF) t. Für einen zeitdiskreten Regler mit einer Abtastzeit At (z.B. vom 10ms) kann der Integralregler auch in der Form Y|(n) = Yi(n-1) + AY|, mit AY| = K| · fi(eF) At angeschrieben werden. Durch Verwendung der Exponentialfunktion des Regelfehlers F wird die Wärmeausbreitung in der Konditioniereinheit 3 approximiert.

Wie oben beschrieben, wird die in die Konditioniereinheit 3 zugeführte Energie, zum einen zum Aufheizen des gasförmigen Mediums genutzt und sorgt zum anderen auch für eine Erwärmung der gesamten Konditioniereinheit 3. Bei gleicher Energiezufuhr geht damit das Erhöhen der Temperatur des gasförmigen Mediums langsamer, als das Absenken der Temperatur des gasförmigen Mediums. Das Erhöhen der Temperatur wird, wie oben beschrieben, durch die im Pufferspeicher 21 gespeicherte Wärme unterstützt, sodass dieser Effekt dadurch schon abgeschwächt wird.

Um diese unsymmetrische Charakteristik der Konditioniereinheit 3 auszugleichen, können derProportionalteil YP und der Integralteil Y| auch mit einer geeigneten Korrekturfunktion

korrigiert werden, was einen korrigierten Proportionalteil

und einen korrigierten Integralteil

ergibt:

Darin ist H(x) die bekannte Heaviside Funktion, die die reellen Zahlen auf die Menge {0, 1} abbildet, mit H(x) = 0 für x < 0 und H(x) = 1 für x > 0. D.h., dass durch die Korrektur die Proportionalteil YP und der Integralteil Y| verstärkt wird, wenn

wenn also die Tempera tur des gasförmigen Mediums erhöht werden soll. Der Proportionalteil Yp und der Integralteil Yi werden abgeschwächt, wenn

wenn also die Temperatur des gasförmigen Mediums abgesenkt werden soll. Als Korrekturfunktion

kann beispielsweise

verwendet werden, mit dem oben beschriebenen Modellteil A. Damit wäre die Korrektur umso stärker, je stärker der Regeleingriff ist, also je größer der Modellteil A ist. Diese Ausprägung der Korrekturfunktion YpOWercor setzt natürlich voraus, dass der Modellteil A auf den Bereich [0,1] bzw. [-1, 1] normiert wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ergibt sich der Proportionalteil Yp aus dem formelmäßigen Zusammenhang

Die exponentielle Funktion f|(eF) im Integralteils Yi ergibt sich in einer bevorzugten Ausgestaltung aus dem formelmäßigen Zusammenhang

Hier ist anzumerken, dass der Einfachheit halber auch im Integralteil Y| der Verstärkungsfaktor KP des Proportionalreglers verwendet wird, was aber natürlich nicht notwendig ist. Statt-dessen kann natürlich auch ein eigener Verstärkungsfaktor K| des Integralreglers verwendet werden. Für den zeitdiskreten Fall kann der Integralteil Y| dann wieder als

mit

Ät angeschrieben werden.

Darin ist H(x) wieder die Heaviside Funktion und sign die Signum Funktion, die die reellen Zahlen auf die Menge {-1, 0, 1} abbildet, mit sign(x) = -1 für x < 0, sign(x) = 0 für x = 0 und sign(x) = 1 für x > 0. Der Parameter σ ist definiert als

und p=0,318366. Die Funktion f|(eF) für den Integralteil Yi wurde so gewählt, dass sie über den gesamten Bereich stetig ist und einen exponentiellen Verlauf aufweist. Um das zu ermöglichen wurde die Funktion in zwei Teile zerlegt. Einen ersten Teil der bei großen Regelfehlern einen logarithmischen Verlauf aufweist. Sowie einen zweiten Teil, der bei kleineren Regelfehlern F einen exponentiellen Verlauf aufweist. Der Übergang zwischen dem ersten und den zweiten Teil erfolgt an dem Punkt p, an dem die Steigungen der beiden Teile identisch sind, um eine stetige Funktion zu erreichen.

Die Stellgröße Y, die vom Regler ermittelt wird, ergibt sich demnach zu

Hier ist anzumerken, dass die Verwendung von Proportionalteil Yp und Integralteil Yi bevorzugt aber nicht zwingend ist. Es kann auch nur der Proportionalteil YP oder nur der Integralteil Y, verwendet werden. Weiters kann in der Stellgröße Y auch noch ein Dämpfungsfaktor YDf berücksichtigt werden. Der Dämpfungsfaktor YDf kann einen ersten Dämpfungsfaktor

Yon (beispielsweise ein empirischer Wert) umfassen, um ein Überhitzen der Konditioniereinheit 3 zu verhindern. Weiters kann der Dämpfungsfaktor YDf auch einen zweiten Dämpfungsfaktor YDf2 umfassen, mit dem auch ein Sollwertüberschwingen gedämpft werden kann, z.B. nach dem Prinzip der Maximalwertdämpfung. Der Dämpfungsfaktor YDf ergibt sich dann zu Yof = Ydu · YDf2- Beide Dämpfungsfaktoren sind optional und unabhängig voneinander verwendbar. Bei Verwendung eines Dämpfungsfaktor YDf ergibt sich die berechnete Stellgröße Y zu

Mit diesem Regler, in Kombination mit der speziell ausgeführten Konditioniereinheit 3, kann die gewünschte Temperatur hochgenau geregelt werden und es kann eine hohe Temperaturstabilität erreicht werden, die bei dynamischen Durchflüssen des Mediums Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der Verbrauchswerte (Massendurchfluss, Volumendurchfluss) ist.

An dieser Stelle ist anzumerken, dass die oben beschriebene Regelung unabhängig von einer konkreten Anwendung ist. Obwohl die Regelung in Zusammenhang mit einer Verbrauchsmessung eines gasförmigen Mediums beschrieben ist, kann die Konditioniereinheit 3 ganz allgemein auf die beschrieben Art und Weise geregelt werden und ist damit auch für andere Anwendungen, in denen ein Medium temperiert werden soll und insbesondere auch für flüssige Medien, geeignet. Das ist vor allem auch deshalb möglich, weil auf eine beliebige Temperatur, also auch auf die die Temperatur Τ·\ nach der Konditioniereinheit 3 geregelt werden kann.

Mit diesem Regler ist es aber auch möglich, Temperaturverläufen oder Temperaturkennlinien der Solltemperatur Tsoii, auch in Abhängigkeit vom Ausgangsdruck pa oder Eingangsdruck pe und auch in Abhängigkeit vom Durchfluss V, nachzufahren. Auch Abhängigkeiten des Ausgangsdruckes pa vom Durchfluss V könnten imitiert werden, z.B. mittels einer entsprechenden Kennlinie. Wenn der Durchfluss V vom Ausgangsdruck pa oder Eingangsdruck pe abhängig ist, könnte vom Regler über die Druckregelung auch ein gewünschter Durchfluss V eingestellt werden. Damit ist es mit diesem Regler möglich, einen originalen Aufbau, so wie er z.B. in einem Fahrzeug eingesetzt wird, und auch eine Fahrt mit einem Fahrzeug zu simulieren.

An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass als Solltemperatur Tson eine beliebige Temperatur in der Verbrauchsmesseinrichtung 1, aber auch eine Temperatur außerhalb der Verbrauchsmesseinrichtung 1 verwendet werden kann. Bevorzugt wird aber die Aus- gangstemperatur Ta als Solltemperatur TSOii geregelt. Ebenso kann der Ausgangsdruck pa in der Verbrauchsmesseinrichtung 1 gemessen werden, oder aber außerhalb, beispielsweise nahe an einem Verbraucher 6.

Die beschriebene Regelung eignet sich sowohl für die Regelung durch Ausnutzen der Temperaturspreizung, als auch für die Regelung mit Wechsel zwischen Heizen und Kühlen. Bei Verwenden von thermoelektrischen Modulen als Temperiereinheit 23 wird die Versorgungsspannung umgepolt, wenn die Stellgröße Y das Vorzeichen ändert. Die Stellgröße Y wird bevorzugt auf den Bereich [-1, 1] normiert wie oben beschrieben.

Im Falle von Wasserstoff als gasförmiges Medium kommt es durch die Druckentspannung in der Druckregeleinheit 4 zu einer Erwärmung. In diesem Fall kommt es auf die Eingangstemperatur Te an, ob mit der Konditioniereinheit 3 gekühlt oder erwärmt wird. Gleiches gilt im Wesentlichen für flüssige Medien.

Um das Kühlen zu unterstützen, kann im Pufferspeicher 21 der Konditioniereinheit 3 auch eine zusätzliche Kühleinrichtung 26 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlleitung 27. Die Regelung kann dann um eine Regelung der Kühleinrichtung 26 erweitert werden, mit der die aktive Kühlung durch die Kühleinrichtung 26 berücksichtigt wird. Diese Regelung regelt dann die Kühleinrichtung 26 indem beispielsweise der Durchfluss VK (beispielsweise über ein Stellventil oder über den Druck) und/oder die Temperatur TK des Kühlmediums variiert wird. Dazu wird in der Regelung eine Stellgröße Yc ermittelt, mit der die Kühleinrichtung 26 angesteuert wird.

Die Regelung der aktiven Kühlung soll dabei vorzugsweise bestimmte Eigenschaften aufweisen. Die aktive Kühlung mittels Kühleinrichtung 26 soll die Grundlast übernehmen und die Temperiereinheit 28 soll dem hochdynamischen Ausregeln von Störungen dienen. Dabei ist es aber anzustreben, dass die Temperiereinheit 28 immer einen Teil der Kühllast trägt, um zu vermeiden, dass die Temperiereinheit 28 um den Nullpunkt betrieben werden muss, was ein ständiges Wechseln zwischen Kühlen und Heizen bedingen könnte. Bei Peltierelementen als Temperiereinheit 28 würde das ein ständiges Umpolen bedeuten, was die Peltierelemen-te auch dauerhaft schädigen kann. Abgesehen davon würde man durch den Betrieb um den Nullpunkt auch den Vorteil des Pufferspeichers für die Regelung der Konditioniereinheit 3 verlieren. Nicht zuletzt soll die Regelung der aktiven Kühlung auch möglichst entkoppelt von der Regelung der Konditioniereinheit 3 sein, um diese Regelung nicht negativ zu beeinflussen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird ein Regler entworfen, in dem eine Temperaturdifferenz ΔΤΚ exponentiell eingeht. Die Temperaturdifferenz ΔΤ«, auf die geregelt wird, ist dabei als Differenz zwischen einer Temperatur TTe der Temperiereinheit 28 (die gemessen werden kann), vorzugsweise an der Seite des Pufferspeichers 21 (Heizfläche 25), und der Isttempe-ratur TK des Kühlmediums definiert. Um den Betrieb der Temperiereinheit 28 um den Nullpunkt zu vermeiden kann auch ein vorgegebenes Totband Ttotb definiert werden, mit der die Temperatur TTe der Temperiereinheit 28 korrigiert wird. Damit ergibt sich eine korrigierte Temperatur TKh der Temperiereinheit 28 zu

und die Temperaturdifferenz

Damit kann ein P-Regler entworfen werden, der eine Stellgröße YCp für die Kühleinrichtung 26 wie folgt ermittelt.

Darin bezeichnet H wieder die Heaviside Funktion und Y die Stellgröße aus der Regelung der Konditioniereinheit 3. KCp ist ein Verstärkungsfaktor des P-Reglers.

Um die Entkopplung zwischen der Regelung der Konditioniereinheit 3 und der Regelung der Kühleinrichtung 26 sicher zu stellen, sollte die Reaktionszeit in der Regelung der Kühleinrichtung 26 langsamer sein, als die Reaktionszeit in der Regelung der Konditioniereinheit 3. Um der Regelung der Kühleinrichtung 26 eine definierte Verzögerungszeit zu geben, kann ein Filter G eingesetzt werden. Der Filter G bekommt als Eingangssignal die Stellgröße YCp für die Kühleinrichtung 26 und berechnet eine gefilterte Stellgröße YCpf, die dann als eigentliche Stellgröße für die Kühleinrichtung 26 verwendet wird, also

Hierzu können verschiedene bekannte Filter G eingesetzt werden. Als vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang ein aus der Bildverarbeitung bekannter Gauß-Filter erwiesen, da ein solcher Filter bekanntermaßen kein Überschwingen und maximale Anstiegszeiten aufweist. Außerdem werden dadurch alle oberhalb einer Grenzfrequenz liegenden Frequenzen gedämpft. Ein solcher Gauß-Filter ist hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Ebenso ist es bekannt, dass die einem Gauß-Filter zugrunde liegenden Berechnungen komplex und rechenaufwendig sind, was für eine Regelungsanwendung nachteilig ist. Aber auch dazu sind Lösungsansätze aus dem Stand der Technik bekannt, um die Rechenzeiten zu minimieren. Hier kommen sogenannte diskrete Gauß-Kerne oder abgetastete Gauß-Kerne in Frage.

Die Ausführung mit der aktiven Kühlung im Pufferspeicher ist vor allem für flüssige, aber durchaus für gasförmige, Medien interessant. Damit erhält man für die Konditioniereinheit 3 einen großen Regelbereich, mit Peltierlementen als Temperiereinheit 28 beispielswiese -40 bis 150°C. Dabei kann die Konditioniereinheit 3 überden ganzen Regelbereich die geforder te Leistung bringen und die Temperatur trotzdem noch hochdynamisch und immer extrem genau regeln.

Anhand Fig.5 wird eine bevorzugte Ausführung der Verbrauchsmesseinrichtung 1 für gasförmiges Medium beschrieben. Das gasförmige Medium, mit einem Eingangsdruck pe, wird einer Medienversorgung 2 entnommen und über eine Eingangsleitung 14 und einen Eingangsanschluss 15 der Verbrauchsmesseinrichtung 1 zugeführt. Eingangsseitig, entweder außerhalb oder in der Verbrauchsmesseinrichtung 1, kann noch ein Gasfilter 30 angeordnet sein. Das gasförmige Medium wird in einer Konditioniereinheit 3 temperiert und in einer anschließenden Druckregeleinheit 4 auf einen gewünschten Entspannungsdruck pred entspannt. Das entspannte gasförmige Medium durchströmt dann den Verbrauchssensor 5, in dem der Verbrauch (Massenstrom, Volumenstrom) gemessen wird. Nach dem Verbrauchssensor 5 ist die zweite Druckregeleinheit 7 angeordnet, mit der der gewünschte Ausgangsdruck pa eingestellt wird. Über einen Ausgangsanschluss 16 kann das konditionierte gasförmige Medium entnommen werden und z.B. einem Verbraucher 6 zugeführt werden.

Alle nachfolgend beschriebenen Funktionen und Komponenten werden von einer Steuereinheit 40, in der auch die Regelungseinheit 10 implementiert ist, gesteuert bzw. angesteuert. Auch die verbauten Sensoren liefern ihre Messwerte an die Steuereinheit. Aufgrund der Übersichtlichkeit wurden dafür notwendige Steuerleitung und Messleitungen in Fig.4 nicht eingezeichnet.

Als Verbrauchssensor 5 sind hier zwei, oder mehrere, hintereinander geschaltete Coriolis-Sensoren 31, 32 vorgesehen. Die beiden Coriolis-Sensoren 31, 32 haben unterschiedliche Messbereiche. Damit kann je nach Verbrauch zur Messung auf den optimalen (im Sinne von Messgenauigkeit) Coriolis-Sensor 31, 32 geschaltet werden. Das erfolgt hier über ein Bypass-Schaltventil 33, das in einer Bypassleitung 34 um den zweiten Coriolis-Sensor 32 angeordnet ist. Das Schaltventil 33 wird hier über Druckluft betätigt. Dazu ist ein Druckluft-Ventilblock 35 vorgesehen, der über einen Druckluftanschluss 36 mit einer externen Druckluftversorgung verbunden ist. Der zweite Coriolis-Sensor 32 kann damit durch Betätigen des Bypass-Schaltventils 33 zugeschaltet oder weggeschaltet werden. Werden beide Coriolis-Sensoren 31,32 durchströmt erlaubt das in überschneidenden Messbereichen eine Plausibilisierung des Messergebnisses, was zur Selbstkontrolle genutzt werden kann.

In der Verbrauchsmesseinrichtung 1 ist weiters eine Überströmleitung 37 vorgesehen, die mit einem Überströmanschluss 38 verbunden ist. Die Überströmleitung 37 ist in der Verbrauchsmesseinrichtung 1 über Überdruckventile mit dem Gaspfad für das gasförmige Medium verbunden. Damit kann die Verbrauchsmesseinrichtung 1 vor fehlerhaften Überdrücken geschützt werden.

Stromabwärts des Verbrauchssensors 5 ist ein Nullabgleichventil 39 angeordnet. Damit kann der Nullpunkt des Verbrauchssensors 5 überprüft werden. Hierzu wird das Nullabgleichventil 39 geschlossen (hier wieder über Druckluft gesteuert) und der Messwert des Verbrauchssensors 5 bei Null Volumenstrom ausgewertet. Überschreitet der Messwert einen bestimmten Grenzwert, kann ein interner Sensorabgleich angestoßen werden, um den Nullpunkt einzustellen. Auf diese Weise kann der Nullpunktdrift des Verbrauchssensors 5 entgegengewirkt werden.

In der Verbrauchsmesseinrichtung 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel außerdem noch eine Inertgasspülung 41 vorgesehen. Hierfür ist ein Inertgas-Druckspeicher 42 vorgesehen, der über ein Inertgas-Schaltventil 43 mit dem Gaspfad des gasförmigen Medium durch die Verbrauchsmesseinrichtung 1 verbunden werden kann. Über einen Inertgasanschluss 44 kann der Inertgas-Druckspeicher 42 aufgefüllt werden. Das zum Spülen der Verbrauchsmesseinrichtung 1 benötigte Inertgas (z.B. Stickstoff) kann aber auch direkt überden Inertgasanschluss 44 zugeführt werden.

Zum Spülen der Verbrauchsmesseinrichtung 1 mit Inertgas wird das eingangsseitige Absperrventil 45 geschlossen und das ausgangsseitige Ausgangs-Schaltventil 46 auf die Überströmleitung 37 umgeschaltet. Gleichzeitig wird das Inertgas-Schaltventil 43 geöffnet. Damit kann das unter Druck stehende, in der Verbrauchsmesseinrichtung 1 verbliebene gasförmige Medium über die Überströmleitung 37 entweichen. Ist der Druck weit genug abgebaut, öffnet das Rückschlagventil 47 und die Verbrauchsmesseinrichtung 1 wird mit dem Inertgas gespült, entweder bis der Inertgas-Druckspeicher 42 leer ist oder für eine bestimmte Zeitspanne. Nach dem Spülen ist die Verbrauchsmesseinrichtung 1 mit Inertgas, mit vorzugsweise geringem Überdruck, gefüllt und befindet sich im sicheren Zustand. Die Inertgasspülung erhöht die Sicherheit der Verbrauchsmesseinrichtung 1 und kann beispielsweise beim Abschalten des Gerätes oder im Falle eines Not-Aus aktiviert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer Konditioniereinheit (3) mit einem Grundkörper (20) und einem Pufferspeicher (21), wobei ein Medium durch den Grundkörper (20) geführt wird und zwischen Pufferspeicher (21) und Grundkörper (20) eine Temperiereinheit (23) mit einer ersten Heizfläche (24) und einer zweiten Heizfläche (25) angeordnet wird und mit der Temperiereinheit (23) eine Temperaturspreizung zwischen der ersten Heizfläche (24) und der zweiten Heizfläche (25) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditioniereinheit (3) geregelt wird, um eine vorgegebene Solltemperatur (Tson) des Mediums einzuhalten, wobei eine Stellgröße (Y) zum Regeln der Konditioniereinheit (3) aus einem Modellteil (A), der die für die Temperierung des Mediums in der Konditioniereinheit (3) benötigte Leistung (Pv) berechnet, und einem Regelteil (R), der die mit dem Modellteil (A) berechnete Leistung (Pv) korrigiert, wobei ein Regelfehler (F) aus einer Solltemperatur (Tson) und einer Isttemperatur (Tist) exponentiell in den Regelteil (R) eingeht, zusammengesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Modellteil (A) die für die Temperierung benötigte Leistung (Pv) anhand des formelmäßigen Zusammenhanges

berechnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Modellteil (A) eine Verlustleistung (PL) der Konditioniereinheit (3) berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelteil (R) aus einem Proportionalteil (YP) und/oder einem Integralteil (Y|) zusammengesetzt wird, wobei der Regelfehler (F) als exponentielle Funktionen (fP(eF), f|(eF)) des Regelfehlers (F) in den Proportionalteil (YP) und/oder den Integralteil (Y|) eingeht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalteil (YP) aus einem Verstärkungsfaktor (KP) und der exponentiellen Funktion fP(eF) gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalteil (YP) aus dem formelmäßigen Zusammenhang

berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalteil (YP) mit einer Korrekturfunktion

zu einem korrigierten Proportionalteil

korrigiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der korrigierte Proportionalteil (Ypcor) aus dem formelmäßigen Zusammenhang

berechnet.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralteil (Y|) aus einem Verstärkungsfaktor (K|) und der exponentiellen Funktion (fi(eF)) und der Zeit (t) gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralteil (Y|) für einen zeitdiskreten Regler mit einer Abtastzeit (At) aus einem Verstärkungsfaktor (K|) und der exponentiellen Funktion (fi(eF)) und der Abtastzeit (At) gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die exponentielle Funktion (fi(eF)) im Integralteil (Y|) aus dem formelmäßigen Zusammenhang

berechnet.
12. Verfahren nach einem der Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralteil (Y|) mit einer Korrekturfunktion

zu einem korrigierten Integralteil

korrigiert wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der korrigierte Integralteil (Yicor) aus dem formelmäßigen Zusammenhang

berechnet.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stellgröße (Y) ein Dämpfungsfaktor (YDf) berücksichtigt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Pufferspeicher (21) eine Kühleinrichtung (26) angeordnet wird, mit der Kühlmedium durch den Pufferspeicher (21) durchgeführt wird, und die Kühleinrichtung (26) geregelt wird, indem eine Stellgröße (Ycp) berechnet wird, in die eine Temperaturdifferenz (ΔΤΚ) zwischen einer Temperatur (TTe) der Temperiereinheit (23) und einer Isttemperatur (TK) des Kühlmediums exponentiell in die Stellgröße (YCp) eingeht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TTe) der Temperiereinheit (23) durch ein Totband (Ttotb) korrigiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (YCp) gemäß

berechnet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Stellgröße (YCp) gefiltert wird und die gefilterte Stellgröße (Ycpf) zur Regelung der Kühleinrichtung (26) verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung mit einem Gauß-Filter (G) durchgeführt wird.
19. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Messung des Verbrauchs an gasförmigen Medium, wobei das gasförmige Medium entlang eines Gaspfades (17) durch eine Verbrauchsmesseinrichtung (1) strömt und dabei der Verbrauch mit einem Verbrauchssensor (5) gemessen wird und das gasförmige Medium vor dem Verbrauchssensor (5) mit der Konditioniereinheit (3) temperiert wird und das gasförmige Medium zwischen der Konditioniereinheit (3) und dem Verbrauchsensor (5) druckentspannt wird, und die Konditioniereinheit (3) gemäß dem Regelverfahren geregelt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des gasförmigen Mediums nach der Konditioniereinheit (3) über eine Druckregeleinheit (4, 7) eingestellt wird.
21. Verbrauchsmesseinrichtung zur Messung des Verbrauchs an gasförmigen Medium, mit einem Eingangsanschluss (15), an dem das gasförmige Medium der Verbrauchsmessein- richtung (1) zugeführt wird, und einem Ausgangsanschluss (16), an dem das gasförmige Medium von der Verbrauchsmesseinrichtung (1) zur Verfügung gestellt wird, wobei zwischen dem Eingangsanschluss (15) und dem Ausgangsanschluss (16) ein Gaspfad (17) vorgesehen ist, in dem ein Verbrauchssensor (5) angeordnet ist und vor dem Verbrauchssensor (5) eine Konditioniereinheit (3) zum Temperieren des gasförmigen Mediums angeordnet ist und zwischen der Konditioniereinheit (3) und dem Verbrauchsensor (5) einer Druckregeleinheit (4) angeordnet ist, in der das gasförmige Medium druckentspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditioniereinheit (3) mit einem Grundkörper (20), in dem eine vom gasförmigen Medium durchströmte Medienleitung (22) angeordnet ist, und mit einem Pufferspeicher (21) zum Speichern von Wärme ausgeführt ist, wobei zwischen Grundkörper (20) und Pufferspeicher (21) eine Temperiereinheit (23) angeordnet ist, und eine Regelungseinheit (10) vorgesehen ist, die die Konditioniereinheit (3) regelt, um eine vorgegebene Solltemperatur (Tsoii) des gasförmigen Mediums einzuhalten.
22. Verbrauchsmesseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Pufferspeicher (21) eine Kühleinrichtung (26) angeordnet ist.
23. Verbrauchsmesseinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbrauchssensor (5) eine weitere Druckregeleinheit (7) vorgesehen ist.
24. Verbrauchsmesseinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauchssensor (5) aus mehreren Coriolis-Sensoren (31,32) mit verschiedenen Messbereichen ausgebildet ist.
25. Verbrauchsmesseinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Gaspfad (17) nach dem Verbrauchssensor (5) ein Nullabgleichventil (39) angeordnet ist, mit dem der Gaspfad (17) absperrbar ist.
26. Verbrauchsmesseinrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbrauchsmesseinrichtung (1) eine Inertgasspülung (41) vorgesehen ist, mit der der Gaspfad (17) mit Inertgas spülbar ist.
27. Verbrauchsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regelungseinheit (10) eine Regelung nach einem der Anspruch 1 bis 18 implementiert ist.