CN107430080A - 流体参数的确定 - Google Patents

Abstract

一种用于确定未知流体(g)的流体参数的方法，所述流体参数例如为热容量C_pP、热值Hp、甲烷数MN和/或沃泊指数WI。流体(g)的未知流(55)被设置在传感器装置(10)中，传感器装置(10)包括用于测量至少一个温度值T₁、T₂、另外的参数以及跨限流器(14)的压力差值Δρ的压力传感器装置(15)和热流传感器(1)。使用这些测量参数T₁、T₂、Δρ和校准数据来计算未知流体(g)的热值Hp、和/或沃泊指数WI或指示其的参数。本发明还涉及用于执行这种方法的计算机程序产品以及这种传感器装置(10)。

Description

流体参数的确定

技术领域

本发明涉及用于确定未知流体的流体参数的方法，该流体参数特别是流体的热值或与其相关的参数，该流体优选地是可燃气体。本发明还涉及被配置为执行所述方法的计算机程序产品和测量装置。

背景技术

现今的天然气管道以由许多进料站进料的庞大网络来组织。由于管道系统中的气体来源于不同的气源，所以气体自然地为随时间变化的混合物。

天然气的热值是通常通过气体成分分析确定的重要的技术和经济流体参数。气体成分可以借助于气相色谱仪测量。然而，这样的装置在购置和维护方面是昂贵的。此外，测量时间长，并且因此测量数据不能实时可用，而必须间歇地收集测量数据。

用于确定天然气的热值的另一装置从DE 10122039A1已知。该文献提出使用具有两个温度传感器和布置在其间的加热器的气体流量计。天然气的热值根据两个所测量的温度值通过线性插值来确定。然而，该方法不如所期望的那样精确。此外，在测量期间气体流量必须保持恒定。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定未知流体的参数的改进方法。特别地，方法可以用于测量可燃气体或这种气体的混合物，特别是天然气或其混合物，其中，流体参数可以是流体的热值或指示热值的参数。

该目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。因此，提出了以下方法：该方法用于确定未知流体g的特性参数，所述特性参数特别是热值Hρ或指示热值的参数，未知流体g优选地为可燃气体(优选地为天然气)，所述流体g在通过传感器装置的流体流中流动，传感器装置包括：

热流传感器装置，其具有加热元件和至少一个温度元件(优选地为第一温度传感器和第二温度传感器)，其中，加热元件布置在第一温度传感器和第二温度传感器之间；

限流器，其布置在所述流体流中的第一位置和第二位置之间；以及

压力传感器装置，用于确定流体g在所述第一位置和所述第二位置之间的压力差Δp，

方法包括：

(i)建立通过所述传感器装置的具有未知值的流体流，其中，流体g的至少一部分溢出所述热流传感器；

(ii)激活所述热流传感器的加热元件并且用所述第一温度传感器测量至少一个第一温度T₁以及用所述第二温度传感器测量至少一个第二温度T₂；

(iii)分别测量流体g在第一位置和第二位置处的第一绝对压力p₁和第二绝对压力p₂，或者

用所述压力传感器装置测量流体g在第一位置和第二位置之间的压力差Δp；以及

(iv)用相关函数根据所测量的第一温度T₁和所测量的第二温度T₂以及所测量的压力值Δp或p₁、p₂确定流体g的热容量c_Pρ、热值Hρ或指示热值的参数、甲烷数(MN)或指示甲烷数的参数以及/或者沃泊指数WI或指示沃泊指数的参数。

术语“流体”特别涉及气体，优选地可燃气体，例如天然气、生物气、贝壳气(shellgas)、民用煤气或其混合物等。

甲烷数MN和沃泊指数WI彼此线性相关。

因此，本发明基于如下的见解：使用两个传感器，特别是热流传感器和压力传感器，可以简单地并且有效地确定未知流体的与能量含量相关的参数，特别是与热值相关的参数。此外，本发明允许提供在线(即，实时)数据。因此，可以在进料过程期间分析(并且控制)到目标装置中的流体进料。

在一些实施方式中，方法还包括以下步骤：

(v)根据所测量的第一温度T₁和所测量的第二温度T₂确定流体g的第一特性参数；

(vi)根据所测量的第一温度T₁和所测量的第二温度T₂以及所测量的压力值Δp或p₁、p₂确定流体g的第二特性参数，其中，第二特性参数相对于所述第一特性参数包含流体g的附加信息；

(vii)用相关函数根据所述第一特性参数和所述第二特性参数确定流体g的热容量c_Pρ、热值Hρ或指示热值的参数以及/或者沃泊指数WI或指示沃泊指数的参数。

优选地，流体g的第一特性参数是所述流体g的热导率λ，并且所述流体g的第二特性参数是所述流体g的微观力ξ。

应当理解，替代两个温度传感器，加热元件也可以设计成提供可替选的参数，例如一个温度和一个加热器电流强度等，使得指示第一温度T₁和第二温度T₂的至少两个参数可用。在一些实施方式中，使用如下第一校准数据和第二校准数据：对于至少一种校准流体，优选地对于两种或更多种校准流体g₁，g₂，第一校准数据和第二校准数据包括第一温度T₁和第二温度T₂以及压力值Δp或p₁、p₂。因此，根据本发明的传感器装置可以用至少一种流体——优选地两种或更多种流体——来进行校准。优选地，所述流体应当具有与未知流体的特性参数没有太大不同的特性参数。校准流体的特性参数可以在一定范围内，即，如果λ在具有如下下界的范围中即可：校准流体的特性参数的50％至300％，优选地80％至150％，更优选地80％至120％。

第一校准数据可以是与第一特性参数相关的数据，第二校准数据可以是与第二特性参数相关的数据。

优选地，第一校准数据和第二校准数据被存储在至少一个查找表中。

在一些实施方式中，所述第一特性参数和所述第二特性参数通过插值、优选地通过线性插值来确定。因此，(一种或更多种)校准流体可以被选择为使得可以进行插值，优选地进行线性插值。

优选地，第二特性参数通过在插值之前重新调整相关校准数据(特别是第二校准数据)的至少一部分来确定。

在一些实施方式中，第一校准数据还包括校准流体g₁，g₂的热导率λ^g1λ^g2，并且第二校准数据包括校准流体g₁，g₂的微观力ξ^g1，ξ^g2。

在一些实施方式中，相关函数基于二次拟设(quadratic Ansatz)。可以经验地确定相关函数的任何系数，即，使用相似流体(即，具有相似参数的流体(例如，天然气或其混合物))的可用数据，以及使用诸如最小二乘法的拟合技术来确定系数。用于流体的数据集在文献和可公开访问的数据库中容易获得。

在一些实施方式中，方法还包括：

(viii)根据热容量c_Pρ和热导率λ确定流体g的流体流的体积流量Q。这可以通过以下等式来完成：

在此，函数Θ₁＝F_λ(φ_Q)表示作为的函数的热流传感器的流量信号。如果λ足够接近于λ^g1和λ^g2，则可以通过对校准数据进行线性插值来获得函数F_λ(φ_Q)，如等式(9)和等式(10)所示。下面说明术语“足够接近”。由于利用根据本发明的方法可以更精确地确定参数，因此也可以更精确地确定热容量c_Pρ。由于体积流量Q强烈地依赖于热容量c_Pρ，因此根据本发明的方法还允许更精确地确定体积流量Q，而无需了解流体，例如，气体分类，即无论其是否是丙烷等。

在一些实施方式中，方法还包括：

(ix)根据流体g的所述体积流量Q和热值Hρ确定每时间单位的能量转移。因此，根据本发明的传感器装置可以作为能量计操作，这可以有助于优化燃烧器中的燃烧过程。

优选地，方法还包括：

(x)输出热容量c_Pρ、热值H、和/或沃泊指数WI或甲烷数MN。借助于传感器装置确定的任何其他参数可以在显示器等上输出，或者使用所述参数可用于另外的电路系统，例如内燃机可以使用在线测量中确定的热值或甲烷数来控制进入燃烧区的流体的体积流量Q，或控制其燃烧过程本身。

优选地，所述方法是在流体g为天然气或其混合物的情况下执行的。这是有利的，因为天然气是广泛已知的，即可以找到关于天然气的性质的详细数据集，并且例如在燃烧过程中，它被广泛使用。因此，对用于在线测量天然气流量的小型、廉价和可靠的装置存在显著需求。

本发明的另一个目的是提供一种传感器装置，该传感器装置被配置为执行未知流体的热值或指示热值的流体参数的确定。

该目的通过根据权利要求11所述的传感器装置来实现。因此，提出了一种用于测量流体g的热容量c_Pρ、热值Hρ、甲烷数MN和/或沃泊指数WI或者指示其中任一个的参数的传感器装置，该传感器装置包括：

用于流体g的流动通道，该流动通道具有用于流体g的入口和出口；

热流传感器装置，其具有布置在第一温度传感器和第二温度传感器之间的加热元件；

限流器，其布置在所述流动通道中的第一位置和第二位置之间；

至少一个压力传感器装置，用于确定流体g在所述第一位置和所述第二位置之间的压力差Δp；以及

包括存储器的数字控制电路，

其中，数字控制电路被配置为执行根据本发明的方法。

在一些实施方式中，存储器存储第一校准数据和第二校准数据，其中，数字控制电路被配置为从所述存储器检索第一校准数据和第二校准数据并且确定第一特性参数和第二特性参数，其中，优选地，相关函数被存储在所述存储器中，并且数字控制电路优选地被配置为用所述相关函数确定流体g的热容量c_Pρ、热值Hρ或指示热值的参数、和/或沃泊指数WI、甲烷数MN或指示甲烷数的参数。

在一些实施方式中，热流传感器装置是CMOS流量传感器。这允许装置的特别紧凑和成本有效的设计。

本发明的另一个目的是提供一种计算机程序，当在传感器装置的处理器中执行该计算机程序时，执行对未知流体的热值或指示热值的流体参数的确定。

该目的通过根据权利要求15所述的计算机程序来实现。因此，提供了一种计算机程序，其包括计算机程序代码，当在根据本发明的传感器装置的数字控制电路中执行该计算机程序代码时，使得数字控制电路执行根据本发明的方法。

因此，在又一方面，本发明提供了一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，当在传感器装置的数字控制电路的处理器中执行该计算机程序代码时，使得数字控制电路执行如上所述的方法中的任意方法，该传感器装置包括：热流传感器装置，其具有布置在第一温度传感器和第二温度传感器之间的加热元件；限流器，其布置在流体流中的第一位置和第二位置之间；以及至少一个压力传感器装置，用于确定流体g在所述第一位置和所述第二位置之间的压力差Δp，特别地，方法包括：

(i)建立通过传感器装置的流体g的未知流，其中流体g的至少一部分溢出所述热流传感器；

(ii)激活热流传感器的加热元件，并且用所述第一温度传感器测量至少一个第一温度T₁以及用所述第二温度传感器测量至少一个第二温度T₂；

(iii)分别测量流体g在第一位置和第二位置处的第一绝对压力p₁和第二绝对压力p₂，或者用所述压力传感器装置测量流体g在第一位置和第二位置之间的压力差Δp；以及

(iv)用相关函数根据所测量的第一温度T₁和所测量的第二温度T₂以及所测量的压力值Δp或p₁、p₂确定流体g的热容量c_Pρ、热值Hρ或指示热值的参数、甲烷数MN以及/或者沃泊指数WI或指示沃泊指数的参数。

计算机程序可以以源代码、机器可执行代码或代码类目标代码的任何中间形式来提供。计算机程序可以被提供为以有形的形式的计算机可读介质上(例如，在CD-ROM上或快闪ROM存储器元件上)的计算机程序产品，或者计算机程序可以以网络可访问介质的形式对于通过网络从一个或更多个远程服务器下载可用。

附图说明

以下参照附图描述本发明的优选实施方式，附图是为了说明本发明的优选实施方式的目的，而不是为了限制本发明的优选实施方式的目的。在附图中：

图1示出了已知的热流量计装置；

图2示出了根据本发明的具有主通道/旁路通道设计的传感器装置的第一实施方式，其中，根据图1的热流量计装置布置在旁路通道中，该传感器装置还包括差压传感器以及主流通道中的层流限制器；

图3示出了根据本发明的传感器装置的第二实施方式，其中，压力差借助于布置在限流器的上游和下游的两个绝对压力传感器来确定；

图4示出了针对两种不同校准气体记录的试验数据的示例；

图5示出了根据图2或图3的用于传感器装置的数字控制电路的简化框图；

图6示出了根据本发明的第一实施方式的方法的流程图；

图7示出了如本文呈现的热导率测量值和理论之间的相关性；以及

图8示出了如本文呈现的微观力测量值和理论之间的相关性。

具体实施方式

图1示出了例如在EP 1426740中描述的热流传感器1的截面的透视图。热流传感器1包括基片6(优选地为半导体基片，优选地来自硅)。基片6从一侧被蚀刻以具有凹部8，其中由膜7跨过所述凹部8。在膜7上布置有良好绝热的第一温度传感器2、第二温度传感器4以及加热元件3，第二温度传感器4布置在第一温度传感器2的下游，加热元件3布置在所述两个温度传感器2、4之间。

第一温度传感器2测量第一温度T₁，第二温度传感器4测量第二温度T₂。在本实施方式中，温度传感器2、4是热电堆；在其他实施方式中，温度传感器2、4可以具有不同类型，例如，电阻温度传感器。通常，加热元件3的工作原理基于焦耳加热效应，即加热元件3是电阻加热器。

加热元件3的温度通常稳定在基片6的温度之上。当流体g溢出加热器3时，热能从加热元件3传送到第二温度传感器4。因此，第二温度T₂比第一温度T₁高。温度差T₂-T₁(或，等效地，这些温度的比)尤其取决于流体流5以及流体g的传热特性，特别是其热导率和热容量。

这种类型的流量传感器1例如在WO 01/98736A1和US 7,188,519B2中描述；这些文献的全部公开内容通过引用并入本文，用于教导流量传感器装置1的设置。

图2示出了根据本发明的传感器装置10的第一优选实施方式。传感器装置10包括承载主流55的主路通道12和在第一位置18处从主路通道12分支同时在第二位置19处重新合并到主路通道12的第一旁路通道11，第二位置19位于第一位置18的下游。流体流55通过流体入口51进入，并且通过流体出口52离开旁路通道11。

第一旁路通道11承载旁路流5。在第一旁路通道11中，所述热流传感器1布置成用于测量通过传感器装置10输送的流体g。流量计1优选地为壁挂式传感器装置。热流传感器1例如采用常规电路系统209(例如，模拟放大器、A/D转换器和/或数字信号处理器)集成到传感器装置10。

在第一位置18和第二位置19之间设置有第二旁路通道13。在所述第二旁路通道13中布置有差压传感器装置15。在所述第二旁路通道13中没有建立流体流，其中，在第一旁路通道11中，流体g可以流动而不受热流传感器1的明显干扰。

在第一位置18和第二位置19之间在主路通道12中布置有层流限制器14。限流器14建立流体g在第一位置18和第二位置19之间的压力降Δp。

因此，利用差压传感器装置15，可以分别测量流体g在位置18、19之间的压力差Δp和在位置18和位置19处的两个流体温度T₁和T₂。

在图3中示出了传感器装置10的替选实施方式。在该实施方式中，在第二旁路通道13中不直接测量压力差Δp，而是分别测量在第一位置18和第二位置19处的绝对压力p₁和p₂。所述绝对压力p₁和p₂可以分别借助于布置在第一位置18和第二位置19处的绝对压力传感器装置16、17来测量。然后通过Δp＝p₁-p₂容易地获得压力差Δp。

应当理解，可以使用传感器装置10的其他设计。例如，流量计装置1可以直接布置在主流55中。

在下文中，描述了基于数据集Δp、T₁和T₂以及校准数据LTU1至LUT4来确定未知流体g(特别是天然气(或这种气体的混合物))的热值的优选方法。

流体g的热导率λ和微观力ξ可以试验地确定。通常，流体g的微观力ξ由如下给出：

ξ＝η²/(ρPr^2α)

在此，流体g的参数如下：η是动态粘度，ρ表示密度，并且Pr是所谓的普朗特数Pr＝c_Pη/λ，其中C_P是比热并且λ是流体g的热导率。参数α是在流体0≤α≤1范围内的实数。通常，传感器装置10在-40℃至150℃的温度和0.01MPa至1MPa的压力下操作。

现在，在第一步骤中，流体g的热导率λ可以根据借助于热流传感器1获得的两个独立温度T₁和T₂信号来确定。T₁和T₂信号取决于流体g的流速v以及流体g的物理参数，如下：

T_i＝F_i(c_Pρv/λ，λ，Pr)其中i＝1，2 (1)

等式(1)中的函数F_i(c_Pρv/λ，λ，Pr)取决于测量设置的细节(例如主路通道/旁路通道系统的几何形状、限流器...)以及旁路通道11中的热流传感器1的设计和位置。等式(1)的函数依赖性遵从热方程。

通常，流体g的热导率λ给出为：

λ＝f(T₁，T₂) (2)

可以例如通过校准测量来确定等式(2)中的函数f(T₁，T₂)。

令Θ₁＝T₂-T₁和Θ₂＝T₁+T₂。注意，在其他实施方式中，可以使用T₁和T₂信号的其他线性组合。

可以在校准测量中测量分别具有已知热导率λ^g1和λ^g2的两种校准气体g₁和g₂。通过传感器装置10一次一个地传送流体g₁和g₂两者，并且在相关的流量范围内改变体积流量Q，以确定流体g₁的和流体g₂的的数值对的曲线或集合。

通过流体g的测量，借助于Θ₂信号的线性插值同时保持Θ₁信号恒定来确定其热导率λ：

λ＝xλ^g1+(1-x)λ^g2 (3)

其中

替代使用两个校准流体g₁和g₂，也可以使用来自仅一个校准流体的校准数据和主数据。在这种情况下，热导率由关系确定，其中，斜率m(Θ₁)通过对许多传感器的校准数据(使用两种校准气体)取平均值来预先确定。所述斜率可以是主数据。

优选地，数据在多次单个测量上被取平均值。可以在流体流量Q的不同值下进行单个测量。

图7示出了在多种气体a至i的情况下采用经校准的传感器装置10的热导率λ的测量值。数据在不同流体流量值Q下记录的几个数据集上已经被取平均值。两种校准气体是CO₂和CH₄。在下一步骤中，流体g的微观力ξ可以由第一温度T₁和第二温度T₂信号以及从压力传感器装置15或16、17获得的压力差Δp信号来确定：

ξ＝g(Θ₁，Θ_２，Δp) (5)

借助于压力传感器装置15或16、17来测量压力差Δp。压力差Δp取决于流动流体g的流速v和物理参数η和ρ，如下：

ξ＝η²/ρ*H(ρv/η) (6)

其中，函数H(pv/η)取决于测量设置的细节(例如，主路通道/旁路通道系统的几何形状、限流器...)。等式(6)关于流体参数的函数依赖性对于不可压缩流体遵从Navier-Stokes方程的相似变换。

函数g(Θ₁，Θ_２，Δp)可以借助于校准测量来确定。令Θ₁＝T₂-T₁和θ₂＝T₁+T₂。另外，可以使用T₁和T₂信号的其他线性组合。

对于校准测量，再次使用两种校准气体g₁和g₂，其中，气体g₁和g₂两者的微观力参数ξ^g1和ξ^g2是已知的。在校准测量期间，流体流量Q在相关流量范围内变化，即在传感器装置10将与流体g一起操作的范围内变化，并且借助于热流传感器1获得两个独立的T₁和T₂信号，并且借助于压力传感器装置15或16、17获得压力差Δp。根据这些数据确定第一校准气体g₁的和第二校准气体g₂的的数值对的两个曲线或集合。

在使用期间，气体g借助于热流传感器1和压力传感器装置15或16、17测量。由热流传感器Θ₁和Θ₂获得。在Θ₁和Θ₂数据的基础上，计算重新标度的参数Θ′₁和Θ″₁。

Θ′₁和Θ″₁是重新调整的Θ₁参数，其被选择使得热导率值λ分别对应于校准气体g₁和g₂的热导率值λ^g1和λ^g2。因此，Θ₁＝F₁(c_Pρv/λ，λ，Pr)→Θ′₁＝F₁(c_Pρv/λ，λ^g1，Pr)，并且Θ₁＝F₁(c_Pρv/λ，λ，Pr)→Θ″₁＝F₁(c_Pρv/λ，λ^g2，Pr)。以这种方式，消除了Θ₁和Θ₂数据对λ的显式依赖性。

然后，微观力ξ由线性插值公式给出：

ξ＝wζ^g1+(1-w)ξ^g2 (7)

其中

w＝[Δp-Δp^g2(Θ″₁)]/[Δp^g1(Θ′₁)-Δp^g2(Θ″1₎] (8)

等式(8)中的重新调整的传感器信号Θ′₁和Θ″₁可以如下确定。借助于等式(3,4)，首先确定未知气体g的热导率λ，如上所述。如果所述热导率λ足够接近λ^g1和λ^g2，则Θ₁传感器信号可以关于参数λ如下被线性化：

其中

u＝(λ-λ^g2)/(λ^g1-λ^g2) (10)

在此，φ＝c_Pρυ/λ。所述热导率λ“足够接近”λ^g1和λ^g2意指λ在具有如下下界和如下上界的范围内：所述下界为λ^g1和λ^g2中较小者的50％至125％，优选地80％至100％，并且所述上界为λ^g1和λ^g2中较大者的100％至150％，优选地125％，优选地意指λ^g1≤λ≤λ^g2，其中λ^g1和λ^g2的差异不大于两者中较大者的20％。

对于给定的传感器信号Θ₁和Θ₂，等式(9)隐含地限定参数φ＝φ(Θ₁，Θ₂)。根据所述参数φ可以计算重新调整的传感器信号Θ′₁＝以及

优选地，数据在多次单个测量上被取平均值。可以在流体流量Q的不同值下进行单个测量。

图8示出了在多种气体a至i的情况下采用经校准的传感器装置10的微观力ξ的测量值。数据在不同流体流量值下记录的几个数据集上已经被取平均值。两种校准气体是CO₂和CH₄。

如果使用主数据，则可以通过仅测量一种校准气体来确定φ(Θ₁，Θ₂)。在这种情况下，等式(9)可以用来替换，其中，斜率q(φ)已经通过对许多传感器的校准数据(使用两种校准气体)取平均值来预先确定。所述斜率可以用作主数据。

例如，该方法可用于提供例如用于诸如天然气的可燃气体的能量计。通常，能量计确定未知可燃气体的体积流量和能量特定参数，例如热值Hρ或沃泊指数WI(以能量每体积为单位)。

因此，传感器装置10可以被配置用于测量流体g的T₁、T₂和Δp。此外，流体测量装置可以包括被配置用于执行如上所述的方法的数字控制电路20。

图5示出了用于传感器装置10的数字控制电路20的示意性框图。控制电路20包括处理器单元(CPU，μP)201、非易失性(例如，快闪ROM)存储器202和易失性(RAM)存储器206。处理器201与存储器模块202、206进行通信。非易失性存储器202尤其存储以查找表LUT1至LUT4形式的多组校准数据203、204以及用于在处理器201中执行的机器可执行程序205。查找表LUT1包括来自第一校准气体g₁的校准数据并且查找表LUT3包括来自第一校准气体g₁的校准数据以及查找表LUT2包括与第二校准气体g₂相关的校准数据并且查找表LUT4包括与第二校准g₂相关的校准数据LUT1和LUT3还分别包括两种校准气体g₁和g₂的热导率参数λ^g1和λ^g2，并且LUT2和LUT4还分别包括两种校准气体g₁和g₂的微观力参数ξ^g1和ξ^g2。

处理器201经由数据接口207与包括热流传感器1、差压传感器装置15(或者，在根据图3的实施方式中的绝对压力传感器装置16、17)以及用户接口208(其可以包括例如用于与外部输入/输出装置对接的网络接口、诸如键盘和/或鼠标的专用输入装置以及例如LCD屏幕的专用输出装置中的至少一个)的各种外围设备通信。

图6示出了传感器装置10可以如何操作用于确定流体g的每时间单位的能量转移。在步骤701中，设定未知流体g的恒定的未知流体流量Q(在传感器装置10的测量范围内)。在步骤702中，控制单元20命令传感器装置10测量T₁、T₂和Δp。在步骤703中，控制单元20使用在步骤704和步骤705中分别用于第一校准气体g₁的查找表203(LUT1，LUT3)和用于第二校准气体g₂的查找表204(LUT2，LUT4)，来计算未知流体g的热导率λ和微观力ξ，如上所述。在下一步骤707中，存储在ROM 202中的相关函数(参见下面的等式11)用于计算热容量c_Pρ、热值Hρ、甲烷数MN和/或沃泊指数WI。

此外，借助于热容量c_Pρ和热导率λ，可以使用上述等式来确定未知气体g的体积流量Q。结合热值Hρ，可以获得每时间单位的能量转移。

流体参数之间的相关函数可以通过回归分析发现。可以分析例如包含可燃气体或其混合物的物理性质的大数据集。这样的数据集是公开可获得的，例如，从“Report on gascomposition range in Europe”(可从http://www.ingas-eu.org/docs/DB0.1.pdf获得)的报告中获得。

此外，如果可燃气体(特别是天然气)的成分是已知的，则与此相关的物理参数可以借助于可商购的程序来计算，例如Refprop NIST(可从http://www.nist.gov/srd/nist23.cfm获得)或PPDS(可从http：//www.tuv-sud.co.uk/uk-en/about-tuev-sued/tuev-sued-in-the-uk/nel/ppds-the rmodynamic-properties-suite获得)。

二次拟设的相关函数可以写为：

使用最小二乘法，可以获得系数A_i至F_j，i＝1至3。找到以下一组系数(表1)：

α＝0.7	Ai	Bi	Ci	Di	Ei	Fi
							cPρ[kJ/(Km3)]，i＝1	2.792	-0.156	0.026	-1.869	0.616	0.047
Hρ[MJ/m3]，i＝2	-59.26	352.80	-188.44	-162.98	28.51	65.34
							WI[MJ/Sm3]，i＝3	-142.46	528.28	-223.47	-190.63	44.90	36.71

在此，将系数A_i至F_j(i＝1至3)标准化，使得热导率λ与微观力ξ相对于甲烷的热导率λ与微观力ξ被给出。对于ξ的计算，使用值α＝0.7。

发现使用表1的系数A_i至F_j(i＝1至3)的拟合的相对误差的标准偏差对于c_Pρ为0.28％、对于Hρ为0.15％以及对于WI为0.43％。

表2、表3、表4中给出了说明性的一组示例性值，其中，全部值在温度T＝25℃和压力p＝0.1MPa下计算。

如由所述可商购的程序计算的理论值(表2)：

其中，气体1和气体2具有以下成分(表3)：

	甲烷	氮气	乙烷	丙烷	二氧化碳
						气体1	85.9％	1.0％	8.5％	3.1％	1.5％
气体2	84.4％	10.4％	2.6％	1.5％	1.1％

借助于相关函数即等式(11)计算的值(表4)：

由沃泊指数可以确定甲烷数MN。

因此，本发明提供了可以用于确定流体参数的小型、廉价的传感器元件10和廉价方法，其中，符合如相关标准要求的限流器上的最大2毫巴的压力降。

附图标记列表

1 热流传感器装置 201 处理器单元

2 1上的第一温度传感器 202 非易失性存储器

3 1上的加热元件 203、204 校准数据的集合

4 1上的第二温度传感器 205 机器可执行程序

5 流体g的旁路流 206 易失性存储器

6 1的基片 207 数据接口

7 6上的膜 208 用户接口

8 6中的凹部 209 常规电路系统

10 传感器装置 51 用于流体g的入口

11 第一旁路通道 52 用于流体g的出口

12 主路通道 55 流体g的总的流体流

13 第二旁路通道

14 12中的限流器

15 差压传感器装置 701 流建立步骤

16、17 绝对压力传感器装置 702 操作步骤

18 第一位置 703 确定步骤

19 第二位置 704、705 检索步骤

706 计算步骤

20 控制电路 707 输出步骤

Claims (16)

1.一种用于确定未知流体(g)的特性参数的方法，所述特性参数特别是热值(Hρ)或指示热值的参数，所述未知流体(g)优选地为可燃气体，所述流体(g)在通过传感器装置(10)的流体流(55)中流动，所述传感器装置(10)包括：

热流传感器装置(1)，其具有加热元件(3)和至少一个温度传感器(2；4)；

限流器(14)，其布置在所述流体流(55)中的第一位置(18)和第二位置(19)之间；以及

压力传感器装置(15；16、17)，用于确定所述流体(g)在所述第一位置(18)和所述第二位置(19)之间的压力差(Δp)，

所述方法包括：

(i)建立通过所述传感器装置(10)的具有未知值的流体流(55)，其中，所述流体(g)的至少一部分溢出所述热流传感器(1)；

(ii)激活所述热流传感器(1)的加热元件(3)，并且用第一温度传感器(2)测量至少一个第一温度(T₁)以及用第二温度传感器(4)测量至少一个第二温度(T₂)；

(iii)分别测量所述流体(g)在所述第一位置(18)和所述第二位置(19)处的第一绝对压力(p₁)和第二绝对压力(p₂)，或者

用所述压力传感器装置(15；16、17)测量所述流体(g)在所述第一位置(18)和所述第二位置(19)之间的压力差(Δp)；以及

(iv)用相关函数根据所测量的第一温度(T₁)和所测量的第二温度(T₂)以及所测量的压力值(Δp或p₁、p₂)确定所述流体(g)的热容量(c_Pρ)、热值(Hρ)或指示热值的参数、沃泊指数(WI)或指示沃泊指数的参数以及/或者甲烷数(MN)或指示甲烷数的参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热流传感器装置(1)包括第一温度传感器(2)和第二温度传感器(4)，其中，所述加热元件(3)布置在第一温度传感器(2)和第二温度传感器(4)之间。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括：

(v)根据所测量的第一温度(T₁)和所测量的第二温度(T₂)确定所述流体(g)的第一特性参数；

(vi)根据所测量的第一温度(T₁)和所测量的第二温度(T₂)以及所测量的压力值(Δp或p₁、p₂)确定所述流体(g)的第二特性参数，其中，所述第二特性参数相对于所述第一特性参数包含所述流体(g)的附加信息；

(vii)用所述相关函数根据所述第一特性参数和所述第二特性参数确定所述流体(g)的热容量(c_Pρ)、热值(Hρ)或指示热值的参数、甲烷数(MN)以及/或者沃泊指数(WI)或指示沃泊指数的参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述流体(g)的第一特性参数是所述流体(g)的热导率(λ)，并且所述流体(g)的第二特性参数是所述流体(g)的微观力(ξ)。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，对于至少一种校准流体(g₁，g₂)，优选地对于两种或更多种校准流体(g₁，g₂)，第一校准数据(LUT1；LUT2)和第二校准数据(LUT3；LUT4)包括第一温度(T₁)和第二温度(T₂)以及压力值(Δp或p₁、p₂)，所述校准流体(g₁，g₂)优选地为气体，其中，所述第一校准数据(LUT1；LUT2)和所述第二校准数据(LUT3；LUT4)被存储在至少一个查找表中，并且其中，所述第一特性参数和所述第二特性参数通过校准数据(LUT1；LUT2；LUT3；LUT4)的插值、优选地通过校准数据(LUT1；LUT2；LUT3；LUT4)的线性插值来确定。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二特性参数通过在插值之前重新调整相关校准数据(LUT3；LUT4)的至少一部分来确定，以及/或者其中，以被取平均值的所确定的流体参数和若干个流体流量值(Q)来执行对所述流体(g)的测量。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述第一校准数据(LUT1；LUT2)包括所述校准流体(g₁；g₂)的第一特性参数，优选地为所述校准流体(g₁；g₂)的热导率(λ^g1；λ^g2)，并且所述第二校准数据(LUT3；LUT4)包括所述校准流体(g₁；g₂)的第二特性参数，优选地为所述校准流体(g₁；g₂)的微观力(ξ^g1；ξ^g2)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述相关函数基于二次拟设。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

(viii)根据先前确定的热导率(λ)和热容量(c_Pρ)确定所述流体(g)的流体流(55)的体积流量(Q)。

10.根据前述权利要求所述的方法，还包括：

(ix)根据所述流体(g)的体积流量(Q)和热值(Hρ)确定每时间单位的能量转移。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

(x)输出所述热容量(c_Pρ)、所述热值(Hρ)、所述沃泊指数(WI)、所述甲烷数(MN)、根据权利要求10所述的能量转移和/或指示其中任一个的参数。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述流体(g)和/或校准气体(g₁；g₂)是可燃气体或其混合物，特别是天然气或其混合物。

13.一种用于测量流体(g)的热容量(c_Pρ)、热值(Hρ)、甲烷数(MN)和/或沃泊指数(WI)或者指示其中任一个的参数的传感器装置(10)，所述传感器装置(10)包括：

用于所述流体(g)的流动通道(11，12)，所述流动通道具有用于所述流体(g)的入口(51)和出口(52)；

热流传感器装置(1)，其具有加热元件(3)和至少一个温度传感器(2；4)，

所述热流传感器装置(1)优选地具有两个温度传感器(2，4)和布置在所述两个温度传感器之间的加热元件(3)；

限流器(14)，其布置在所述流动通道(11，12)中的第一位置(18)和第二位置(19)之间；

至少一个压力传感器装置(15；16、17)，用于确定所述流体(g)在所述第一位置(18)和所述第二位置(19)之间的压力差(Δp)；以及

包括存储器(202)的数字控制电路(20)，

其特征在于，所述数字控制电路(20)被配置为执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。

14.根据权利要求13所述的传感器装置(10)，其中，存储器(202)存储第一校准数据(LUT1；LUT2)和第二校准数据(LUT3；LUT4)，并且其中，所述数字控制电路(20)被配置为从所述存储器(202)检索所述第一校准数据(LUT1；LUT2)和所述第二校准数据(LUT3；LUT4)，并且确定第一特性参数和第二特性参数，其中，优选地，相关函数被存储在所述存储器(202)中，并且所述数字控制电路(20)优选地被配置为用所述相关函数确定所述流体(g)的热容量(c_Pρ)、热值(Hρ)或指示热值的参数、甲烷数(MN)或指示甲烷数的参数以及/或者沃泊指数WI或指示沃泊指数的参数。

15.根据权利要求13或14所述的传感器装置(10)，其中，所述热流传感器装置(1)是CMOS流量传感器装置。

16.一种包括计算机程序代码的计算机程序，当在根据权利要求13至15中任一项所述的传感器装置(10)的数字控制电路(20)中执行所述计算机程序代码时，使得所述数字控制电路(20)执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。