DE102015107584A1 - Method for determining a product of heat capacity and density - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) eines Gases bzw. eines Gasgemisches (2) oder einen davon abgeleiteten Wert mittels eines thermischen Sensors (1), insbesondere eines thermischen Strömungssensors aufweisend die folgenden Schritte: – Bestimmung der thermischen Wärmeleitfähigkeit (λ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2); – Bestimmung einer Flussrate (Q) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ); – Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) oder eines davon abgeleiteten Wertes anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ) und der bestimmten Flussrate (Q).Method for determining a product of heat capacity and density (Cp · ρ) of a gas or a gas mixture (2) or a value derived therefrom by means of a thermal sensor (1), in particular a thermal flow sensor comprising the following steps: - Determining the thermal thermal conductivity (λ) of the gas or of the gas mixture (2); - Determining a flow rate (Q) of the gas or the gas mixture (2) based on the determined thermal conductivity (λ); - Determining the product of heat capacity and density (Cp · ρ) of the gas or the gas mixture (2) or a value derived therefrom on the basis of the determined thermal conductivity (λ) and the specific flow rate (Q).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte eines Gases bzw. eines Gasgemisches oder einen davon abgeleiteten Wert mittels thermischen Sensors, insbesondere eines thermischen Strömungssensors.The invention relates to a method for determining a product of heat capacity and density of a gas or a gas mixture or a value derived therefrom by means of a thermal sensor, in particular a thermal flow sensor.

Zur Bestimmung von Strömungseigenschaften, insbesondere des Durchflusses, eines Mediums bzw. eines Fluides, bspw. eines Gases oder Gasgemisches sind thermische Strömungssensoren bekannt, die ausnutzen, dass ein (strömendes) Medium Wärme transportiert. Derartige Strömungssensoren weisen dabei den klassischen Strukturaufbau mit zumindest einer Heizstruktur und zumindest einem Temperatursensorelement auf, um den Durchfluss des Mediums zu bestimmen.For the determination of flow properties, in particular of the flow, of a medium or of a fluid, for example of a gas or gas mixture, thermal flow sensors are known which utilize that a (flowing) medium transports heat. Such flow sensors in this case have the classical structure structure with at least one heating structure and at least one temperature sensor element in order to determine the flow of the medium.

Kalorimetrische thermische Strömungssensoren bestimmen über eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensorelementen, die flussabwärts (engl. „downstream”) und flussaufwärts (engl. „upstream”) von der Heizstruktur auf einem Substrat angeordnet sind, den Durchfluss bzw. die Flussrate des Fluids in einem Kanal. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Temperaturdifferenz bis zu einem gewissen Punkt linear zu dem Durchfluss bzw. der Flussrate ist. Dieses Verfahren bzw. die Methode ist in der einschlägigen Literatur ausgiebig beschrieben.Calorimetric thermal flow sensors determine the flow rate of the fluid in a channel via a temperature difference between two temperature sensor elements located downstream and upstream of the heating structure on a substrate. For this purpose, use is made of the fact that the temperature difference is up to a certain point linear to the flow rate or the flow rate. This method or the method is extensively described in the relevant literature.

Eine qualitative Beschreibung des Gases, z. B. der thermischen Parameter oder Gaszusammensetzung, ist bei „klassischen” Designs („upstream” Temperatursensor, Heizer und „downstream” Temperatursensor) und Auswerteverfahren nicht möglich. Thermische Sensoren müssen auf das Medium der Applikation kalibriert werden, ändert sich Gaszusammensetzung und somit die thermischen Gasparameter, führt dies zu einem Messfehler in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit.A qualitative description of the gas, eg. As the thermal parameters or gas composition is not possible with "classic" designs ("upstream" temperature sensor, heater and "downstream" temperature sensor) and evaluation. Thermal sensors must be calibrated to the medium of the application, changing gas composition and thus the thermal gas parameters, this leads to a measurement error in terms of flow velocity.

Sensoren, die die thermische Wärmeleitfähigkeit (neben spezifischer Wärmekapazität und Dichte auch ein thermischer Parameter) detektieren, arbeiten normalerweise in ruhenden Fluiden (no-flow condition).Sensors that detect thermal thermal conductivity (in addition to specific heat capacity and density, also a thermal parameter) normally operate in quiescent fluids (no-flow condition).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren vorzuschlagen, dass es ermöglicht mittels eines thermischen Strömungssensors einen thermischen Parameter eines Gases bzw. Gasgemisches zu ermitteln.The object of the invention is to propose a method which makes it possible to determine a thermal parameter of a gas or gas mixture by means of a thermal flow sensor.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte eines Gases bzw. eines Gasgemisches oder einen davon abgeleiteten Wert mittels eines thermischen Sensors, insbesondere eines thermischen Strömungssensors gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

  • – Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Gases bzw. des Gasgemisches;
  • – Bestimmung einer Flussrate des Gases bzw. des Gasgemisches anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit;
  • – Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches oder eines davon abgeleiteten Wertes anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit und der bestimmten Flussrate.
The object is achieved by a method for determining a product of heat capacity and density of a gas or a gas mixture or a value derived therefrom by means of a thermal sensor, in particular a thermal flow sensor, wherein the method comprises the following steps:
  • - Determination of the thermal conductivity of the gas or the gas mixture;
  • - Determining a flow rate of the gas or the gas mixture based on the determined thermal conductivity;
  • - Determination of the product of heat capacity and density of the gas or of the gas mixture or of a value derived therefrom on the basis of the determined thermal conductivity and the specific flow rate.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung des Produktes aus Dichte und Wärmekapazität vorgeschlagen, bei dem mittels unterschiedlicher Anregung der Heizstruktur unterschiedliche Parameter, insbesondere thermische Parameter ermittelbar sind. Somit lässt sich anhand der über den thermischen Strömungssensor ermittelbaren thermischen Leitfähigkeit die Flussrate und anschließend das Produkt aus Dichte und Wärmekapazität des Gases bzw. Gasgemisches bestimmen.According to the invention, a method for determining the product of density and heat capacity is proposed, in which different parameters, in particular thermal parameters, can be determined by means of different excitation of the heating structure. Thus, the flow rate and then the product of density and heat capacity of the gas or gas mixture can be determined based on the thermal conductivity can be determined via the thermal flow sensor.

Unter thermischen Sensoren sind insbesondere thermische Strömungssensoren zu verstehen. Diese haben typischerweise ein Heizelement und zwei Temperatursensorelemente, welche beabstandet des Heizelements angeordnet sind.Thermal sensors are to be understood as meaning, in particular, thermal flow sensors. These typically have a heating element and two temperature sensing elements spaced from the heating element.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches eine Heizstruktur des thermischen Strömungssensors mit einer im Wesentlichen konstanten Leistung angeregt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches eine Temperatur der Heizstruktur erfasst wird.An advantageous embodiment provides that for determining the product of heat capacity and density of the gas or the gas mixture, a heating structure of the thermal flow sensor is excited with a substantially constant power. In particular, it is provided that for determining the product of heat capacity and density of the gas or the gas mixture, a temperature of the heating structure is detected.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte des Gases bzw. des Gasgemisches auf eine hinterlegte erste Funktion oder davon abgeleitete Werte zurückgegriffen wird und wobei die erste Funktion den folgenden Zusammenhang aufweist: THeizer = f1(λ, ρ·Cp, Q, P), wobei λ der Wärmeleitfähigkeit, ρ der Dichte, Cp der spezifischen Wärmekapazität Q der Flussrate, P der an dem Heizer angelegten Leistung und THeizer der Temperatur der Heizstruktur entspricht. Aus dieser ersten Gleichung lässt sich das Produkt aus Dichte und Wärmekapazität, die Strömungsgeschwindigkeit oder die Wärmeleitfähigkeit ermitteln. Hierzu wird davon ausgegangen, dass die an den Heizer angelegte Leistung im Wesentlichen konstant ist. Die Leistung kann dabei sowohl ein DC als auch AC Signal sein. In dem Fall, dass keine Strömungsgeschwindigkeit vorhanden ist bzw. diese im Wesentlichen null ist, hängt die obige Gleichung nur von der Wärmeleitfähigkeit und der angelegten Leistung ab. Wenn zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit bekannt ist, kann die Temperatur des Heizers bestimmt, insbesondere berechnet werden.An advantageous embodiment provides that, in order to determine the product of heat capacity and density of the gas or of the gas mixture, use is made of a stored first function or values derived therefrom, and wherein the first function has the following relationship: T heater = f 1 (λ, ρ · Cp, Q, P), where λ is the thermal conductivity, ρ is the density, Cp is the specific heat capacity Q of the flow rate, P is the power applied to the heater, and T is the heater temperature of the heating structure. From this first equation, the product of density and heat capacity, the flow rate or the thermal conductivity can be determined. For this purpose it is assumed that the power applied to the heater is essentially constant. The power can be both a DC and AC signal. In In the case where there is no flow velocity or it is substantially zero, the above equation depends only on the thermal conductivity and the applied power. In addition, if the thermal conductivity is known, the temperature of the heater can be determined, in particular calculated.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eine zweite Temperatur mittels eines in Bezug auf eine Heizstruktur flussabwärts angeordneten zweiten Temperatursensorelementes erfasst wird. Insbesondere sieht diese Ausführungsform vor, dass anhand der erfassten zweiten Temperatur die für das Gas bzw. Gasgemisch entsprechende Wärmeleitfähigkeit ermittelt wird und/oder, dass zur Ermittlung der entsprechenden Wärmeleitfähigkeit des Gases bzw. des Gasgemisches eine dritte Funktion oder davon abgeleitete Werte verwendet wird bzw. werden, wobei die dritte Funktion oder die davon abgeleiteten Werte die Abhängigkeit der zweiten Temperatur von der Flussrate beschreibt und in einem definierten Bereich im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate ist, sodass sich eine zweite Temperatur für den definierten Bereich, der im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate ist, ermitteln lässt. Ferner kann die Ausführungsform vorsehen, dass anhand der zweiten Temperatur für den definierten Bereich, der im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate ist, die Wärmeleitfähigkeit ermittelt wird.An advantageous embodiment provides that, to determine the thermal conductivity, a second temperature is detected by means of a second temperature sensor element disposed downstream with respect to a heating structure. In particular, this embodiment provides that, based on the detected second temperature, the thermal conductivity corresponding to the gas or gas mixture is determined and / or that a third function or values derived therefrom is used to determine the corresponding thermal conductivity of the gas or gas mixture or wherein the third function or the values derived therefrom describes the dependence of the second temperature on the flow rate and is substantially independent of the flow rate within a defined range, such that a second temperature for the defined range substantially independent of the flow rate is, determine. Furthermore, the embodiment can provide that, based on the second temperature for the defined area, which is essentially independent of the flow rate, the thermal conductivity is determined.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Flussrate des Gases bzw. des Gasgemisches anhand der zuvor bestimmten Wärmeleitfähigkeit und der zweiten Temperatur des flussabwärts angeordneten zweiten Temperatursensorelementes bestimmt wird.An advantageous embodiment provides that the flow rate of the gas or of the gas mixture is determined on the basis of the previously determined thermal conductivity and the second temperature of the downstream arranged second temperature sensor element.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:

1: einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors, 1 FIG. 2: a cross-section of an embodiment of the flow sensor according to the invention, FIG.

2: eine Tabelle in der die drei verschiedenen Funktionsmodi der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit untereinander dargestellt sind, 2 : a table in which the three different functional modes of the control and / or evaluation unit are shown one below the other,

3: eine beispielhafte dritte Funktion der zweiten Temperatur in Abhängigkeit der Flussrate, und 3 : an exemplary third function of the second temperature as a function of the flow rate, and

4: eine beispielhafte erste Funktion der Temperatur der Heizstruktur in Abhängigkeit der Flussrate für verschiedene Werte der Wärmeleitfähigkeit und verschiedene Werte des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte. 4 : an exemplary first function of the temperature of the heating structure as a function of the flow rate for different values of thermal conductivity and different values of the product of heat capacity and density.

1 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors 1. Hierbei weist der thermische Strömungssensor 1 ein Substrat 3 auf, auf dem eine erste dielektrische Schicht 6 aufgebracht ist. Ferner weist das Substrat 3 in einem ersten Bereich 4 eine Aussparung 5 auf, so dass die erste dielektrische Schicht 6 in dem ersten Bereich 4 auf dem Substrat 3 eine Membran 7 ausbildet. Auf dieser Membran 7 ist eine Heizstruktur 8 derartig aufgebracht, dass sie sich zwischen einem ersten und einem zweiten Temperatursensorelement 9, 10 entlang der Strömungsrichtung des Gases oder des Gasgemisches 2 befindet und dazu dient, das Gas oder Gasgemisch 2 zu erhitzen. Die beiden Temperatursensorelemente 9, 10 sind ebenfalls auf der ersten dielektrischen Schicht 6 aufgebracht und vorzugsweise derartig angeordnet, dass sie in dem ersten Bereich 4 liegen. Die beiden Temperatursensorelemente werden auch als „upstream” und „downstream” Temperatursensoren bzw. Temperatursensorelemente bezeichnet, wobei das „upstream” Temperatursensorelement 9 flussaufwärts und das „downstream” Temperatursensorelement 10 flussabwärts in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gases oder Gasgemisches und die Heizstruktur angeordnet ist. 1 shows a cross section of an embodiment of the flow sensor according to the invention 1 , Here, the thermal flow sensor 1 a substrate 3 on top of which a first dielectric layer 6 is applied. Furthermore, the substrate has 3 in a first area 4 a recess 5 on, leaving the first dielectric layer 6 in the first area 4 on the substrate 3 a membrane 7 formed. On this membrane 7 is a heating structure 8th applied such that it is between a first and a second temperature sensor element 9 . 10 along the flow direction of the gas or gas mixture 2 located and serves the gas or gas mixture 2 to heat. The two temperature sensor elements 9 . 10 are also on the first dielectric layer 6 applied and preferably arranged such that they are in the first area 4 lie. The two temperature sensor elements are also referred to as "upstream" and "downstream" temperature sensors or temperature sensor elements, wherein the "upstream" temperature sensor element 9 upstream and the downstream temperature sensor element 10 downstream with respect to the flow direction of the gas or gas mixture and the heating structure is arranged.

Mittels dieser beiden Temperatursensorelemente 9, 10 wird die Temperatur des an der Heizstruktur 8 erhitzten Gases oder Gasgemisches 2 erfasst. Zum Schutz der Heizstruktur 8 und der beiden Temperatursensorelemente 9, 10 ist eine zweite dielektrische Schicht 16 auf die erste dielektrische Schicht 6 aufgebracht. Zur Bestimmung eines Gases oder der Zusammensetzung eines Gasgemisches 2 wird die dem Substrat 3 abgewandte Seite der zweiten dielektrischen Schicht 16 dem strömenden Gas oder Gasgemisch 2 ausgesetzt.By means of these two temperature sensor elements 9 . 10 is the temperature of the heating structure 8th heated gas or gas mixture 2 detected. To protect the heating structure 8th and the two temperature sensor elements 9 . 10 is a second dielectric layer 16 on the first dielectric layer 6 applied. For the determination of a gas or the composition of a gas mixture 2 becomes the substrate 3 opposite side of the second dielectric layer 16 the flowing gas or gas mixture 2 exposed.

Der thermische Strömungssensor 1 umfasst weiter eine Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11, die zwischen drei verschiedenen Funktionsmodi umschaltbar ist und die, die Heizstruktur 8 und die beiden Temperatursensorelemente entsprechend der Funktionsmodi regelt bzw. ansteuert. Die Heizstruktur wird dabei durch ein Anregungssignal von der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 angesteuert. Die an den beiden Temperatursensorelementen anliegende Temperatur wird von der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 mittels eines ersten Antwortsignals 13 und einem zweiten Antwortsignal 14 erfasst. Das erste Antwortsignal 13 bezieht sich dabei auf das erste Temperatursensorelement („upstream” Temperatursensor) und das zweite Antwortsignal 14 auf das zweite Temperatursensorelement („downstream” Temperatursensor).The thermal flow sensor 1 further comprises a control and / or evaluation unit 11 which is switchable between three different functional modes and which, the heating structure 8th and controls or controls the two temperature sensor elements according to the function modes. The heating structure is by an excitation signal from the control and / or evaluation 11 driven. The voltage applied to the two temperature sensor elements temperature is controlled by the control and / or evaluation 11 by means of a first response signal 13 and a second response signal 14 detected. The first response signal 13 refers to the first temperature sensor element ("upstream" temperature sensor) and the second response signal 14 to the second temperature sensor element ("downstream" temperature sensor).

Bezüglich des prinzipiellen Aufbaus des Strömungssensors sei an dieser Stelle auf die Veröffentlichung „Gas concentration and flow speed measurements using a polymer-based membrane sensor”, insbesondere das Kapitel „II. Sensor”, von C. Hepp et al erschienen in 2013 IEEE Sensors, Seiten 1–4 hingewiesen, wobei der Inhalt dieser Veröffentlichung hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.Regarding the basic structure of the flow sensor is at this point on the publication "Gas concentration and flow speed measurements using a polymer-based membrane sensor ", in particular the chapter" II. Sensor ", by C. Hepp et al published in the 2013 IEEE Sensors, pages 1-4 The content of this publication is hereby incorporated in this application.

2 zeigt eine Tabelle in der die drei verschiedenen Funktionsmodi der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 untereinander dargestellt sind, wobei mittels des ersten Funktionsmodus eine Flussrichtung sowie ggfl. eine Flussrate Q, mittels dem zweiten Funktionsmodus eine Wärmeleitfähigkeit λ sowie ggfl. eine Konzentration der Bestandteile des Gasgemisches und mittels einem erfindungsgemäßen dritten Funktionsmodus ein Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität (ρ·Cp) des Gases oder des Gasgemisches bestimmbar ist. 2 shows a table in the three different functional modes of the control and / or evaluation unit 11 are shown with each other, wherein by means of the first functional mode, a flow direction and possibly. a flow rate Q, by means of the second functional mode, a thermal conductivity λ and ggfl. a concentration of the components of the gas mixture and by means of a third functional mode according to the invention, a product of density and specific heat capacity (ρ · Cp) of the gas or of the gas mixture can be determined.

In dem ersten Funktionsmodus (erste Zeile der in 2 dargestellten Tabelle) steuert bzw. regelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit die Heizstruktur derartig, dass sich eine im Wesentlichen konstante Temperatur an der Heizstruktur THeizer einstellt. Mittels des Antwortsignals 14 wird eine zweite Temperatur T2, die downstream Temperatur, an dem zweiten Temperatursensorelement 10, dem downstream Temperatursensor, durch die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 ermittelt. Die downstream Temperatur entspricht dabei folgendem Zusammenhang: T_down = f2(λ, ρ·Cp, Q) (Gleichung 1) In the first functional mode (first line of in 2 The control and / or evaluation unit controls or regulates the heating structure in such a way that a substantially constant temperature is established at the heating structure T heater . By means of the response signal 14 is a second temperature T 2 , the downstream temperature, at the second temperature sensor element 10 , the downstream temperature sensor, by the control and / or evaluation unit 11 determined. The downstream temperature corresponds to the following relationship: T_down = f 2 (λ, ρ · Cp, Q) (Equation 1)

Dieser Zusammenhang kann dabei in erster Näherung als unabhängig von dem Produkt aus Wärmekapazität Cp und Dichte ρ angesehen werden, so dass sich folgender Zusammenhang ergibt: T_down ≈ f2(λ, Q) (Gleichung 1.1) In a first approximation, this relationship can be regarded as independent of the product of heat capacity Cp and density ρ, so that the following relationship results: T_down ≈ f 2 (λ, Q) (equation 1.1)

In dem Fall, dass die Wärmeleitfähigkeit λ (engl. thermal conductivity) des strömenden Gases oder Gasgemisches bekannt ist, bspw. weil diese, wie nachstehend beschrieben, ermittelt wurde oder das strömende Gas oder Gasgemisch bekannt ist und somit auch die Wärmeleitfähigkeit λ, lässt sich durch die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 anhand der Gleichung 1.1 zusätzlich eine Flussrate Q des strömenden Gases oder Gasgemisches bestimmen.In the event that the thermal conductivity λ of the flowing gas or gas mixture is known, for example because this was determined as described below or the flowing gas or gas mixture is known and thus also the thermal conductivity λ, can be by the control and / or evaluation unit 11 Using equation 1.1 additionally determine a flow rate Q of the flowing gas or gas mixture.

Alternativ lässt sich, unter der Bedingung, dass die Wärmeleitfähigkeit λ bekannt ist, die Flussrate Q und das Produkt aus Dichte mal Wärmekapazität ρ·Cp aus Gleichung 1 und Gleichung 3 iterativ ermitteln, da es sich hierbei um ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen (Gleichung 1 und 3) und zwei Unbekannten handelt.Alternatively, under the condition that the thermal conductivity λ is known, it is possible to iteratively determine the flow rate Q and the product of density times heat capacity ρ · Cp from Equation 1 and Equation 3, since this is a system of equations with two equations (Equation 1) and 3) and two unknowns.

In dem zweiten Funktionsmodus steuert bzw. regelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 die Heizstruktur 8 derartig, dass diese mit einem Anregungssignal 12, welches im Wesentlichen eine konstante Leistung aufweist, angeregt wird. Das Anregungssignal 12 kann dabei auch ein Wechselspannungssignal darstellen. Typischerweise ist die Leistung dann zumindest im Mittelwert konstant. Als vorteilhaft hat sich bei einem Wechselspannungssignal eine Anregungsfrequenz von 1 Hz erwiesen.In the second functional mode, the control and / or evaluation unit controls or regulates 11 the heating structure 8th such that these with an excitation signal 12 , which has a substantially constant power, is excited. The excitation signal 12 can also represent an AC signal. Typically, the power is then constant at least on average. An excitation frequency of 1 Hz has proven to be advantageous in the case of an alternating voltage signal.

In dem zweiten Funktionsmodus (Erste Zeile der in 2 dargestellten Tabelle) erfasst die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 mittels des zweiten Antwortsignals 14 die zweite Temperatur T2, die an dem zweiten Temperatursensorelement 10, dem „downstream” Temperatursensor, anliegt. Diese zweite Temperatur T2 ist eine dritte Funktion der Wärmeleitfähigkeit λ, so dass sich die Wärmeleitfähigkeit λ des strömenden Gases oder Gasgemisches bestimmen lässt. Insbesondere liegt dabei folgender Zusammenhang zwischen der zweiten Temperatur T2 und der Wärmeleitfähigkeit λ vor: T2 = f3(λ) (Gleichung 2) In the second function mode (first line of in 2 shown table) detects the control and / or evaluation unit 11 by means of the second response signal 14 the second temperature T 2 applied to the second temperature sensor element 10 , the "downstream" temperature sensor. This second temperature T 2 is a third function of the thermal conductivity λ, so that the thermal conductivity λ of the flowing gas or gas mixture can be determined. In particular, the following relationship exists between the second temperature T 2 and the thermal conductivity λ: T2 = f 3 (λ) (Equation 2)

Wie in 3 angedeutet, bildet sich ein Bereich 15 heraus, in dem die zweite Temperatur T2 an dem zweiten Temperatursensorelement strömungsunabhängig, insbesondere unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit, ist. In 3 sind exemplarisch für die beiden Gase Argon Ar und Stickstoff N2, die aufgrund der im Wesentlichen konstanten Leistungsanregung der Heizstruktur ergebende zweite Temperatur bzw. „downstream” Temperatur in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit dargestellt. Zu sehen ist, dass sich bei einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,2 m/s und 1 m/s ein im Wesentlichen konstantes Plateau bezogen auf die zweite Temperatur T2 ausbildet. Die Höhe des Plateaus ist dabei spezifisch für jedes Gas bzw. jedes Gasgemisch. Für Argon ist es in dem dargestellten Beispiel bei 19 K und für Stickstoff bei 17 K. Die Höhe des Plateaus bzw. der Werte, also die 19 K und 17 K. So kann, wenn entsprechende Daten in einem der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 zugehörigen Speicher hinterlegt sind, die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit ein spezifisches Gas sowie dessen Wärmeleitfähigkeit λ oder die Konzentration der Bestandteile eines Gasgemisches ermitteln werden.As in 3 indicated, an area forms 15 out, in which the second temperature T 2 at the second temperature sensor element is independent of flow, in particular independent of the flow velocity. In 3 are exemplary of the two gases argon Ar and nitrogen N 2 , the resulting due to the substantially constant power excitation of the heating structure resulting second temperature or "downstream" temperature as a function of the flow velocity. It can be seen that at a flow rate between 0.2 m / s and 1 m / s forms a substantially constant plateau relative to the second temperature T 2. The height of the plateau is specific to each gas or gas mixture. For argon it is in the illustrated example at 19 K and for nitrogen at 17 K. The height of the plateau or the values, ie the 19 K and 17 K. So, if appropriate data in one of the control and / or evaluation 11 associated memory are stored, the control and / or evaluation a specific gas and its thermal conductivity λ or the concentration of the components of a gas mixture are determined.

Beispielsweise lässt sich mit den in 3 dargestellten Daten, die entsprechend in dem Speicher hinterlegt sind, durch die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 ermitteln, ob Argon oder Stickstoff oder ein Gasgemisch aus Argon und Stickstoff vorliegt. Um Argon oder Stickstoff handelt es sich in dem Fall, dass die zweite Temperatur T2 des zweiten Temperatursensorelementes 10 im Wesentlichen 17 K oder 19 K ist. Ist in dem Speicher nun ebenfalls eine zu den Gasen entsprechende Wärmeleitfähigkeit λ hinterlegt, kann die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 diese ebenfalls für das vorliegende Gas ermitteln.For example, can be with the in 3 represented data, which are stored accordingly in the memory, by the control and / or evaluation unit 11 determine whether argon or nitrogen or a gas mixture of argon and nitrogen is present. Argon or nitrogen is in the case that the second temperature T 2 of the second temperature sensor element 10 essentially 17 K or 19K is. If a thermal conductivity λ corresponding to the gases is also stored in the storage tank, the control and / or evaluation unit can 11 determine these also for the gas present.

In dem Fall, dass die zweite Temperatur T2 des zweiten Temperatursensorelementes 10 zwischen 17 und 19 Kelvin liegt, lässt sich, bspw. durch die Annahme eines linearen Zusammenhangs, die Konzentration des Gasgemisches aus Argon und Stickstoff ermitteln. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel beträgt die zweite Temperatur T2 des zweiten Temperatursensorelementes 18 Kelvin. Hieraus lässt sich bei Annahme eines linearen Zusammenhangs das Vorliegen eines Gasgemisches mit 50% vol. Argon und 50% vol. Stickstoff (mit gestrichelter Linie in 3 dargestellt) ermitteln bzw. feststellen. Für eine präzisere Bestimmung der Konzentration der Bestandteile des Gasgemisches bietet es sich an, auch hierfür spezifische Daten oder eine Funktion in dem Speicher abzulegen, die den in erster Näherung zugrunde gelegten linearen Zusammenhang ggfl. noch besser anpasst.In the case that the second temperature T 2 of the second temperature sensor element 10 is between 17 and 19 kelvin, it is possible to determine, for example by assuming a linear relationship, the concentration of the gas mixture of argon and nitrogen. At the in 3 example shown, the second temperature T 2 of the second temperature sensor element 18 Kelvin. From this, assuming a linear relationship, the presence of a gas mixture with 50% vol. Argon and 50% vol. Nitrogen (dashed line in 3 shown). For a more precise determination of the concentration of the constituents of the gas mixture, it is advisable to store also for this specific data or a function in the memory, the possibly approximated linear relationship ggfl. even better adapts.

Bezüglich der beiden Funktionsmodi des Strömungssensors sei an dieser Stelle wiederum auf die Veröffentlichung „Gas concentration and flow speed measurements using a polymer-based membrane sensor”, insbesondere das Kapitel „IV. Characterisation”, von C. Hepp et al erschienen in 2013 IEEE Sensors, Seiten 1–4 hingewiesen, wobei der Inhalt dieser Veröffentlichung hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird.With regard to the two functional modes of the flow sensor, let us now turn to the publication "Gas concentration and flow velocity measurements using a polymer-based membrane sensor", in particular the chapter "IV. Characterization ", by C. Hepp et al published in the 2013 IEEE Sensors, pages 1-4 The content of this publication is hereby incorporated in this application.

In dem dritten erfindungsgemäßen Funktionsmodus steuert bzw. regelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit 11 die Heizstruktur 8 wiederum derartig, dass die Heizstruktur 8 mit einer im Wesentlichen konstanten Leistung angeregt wird. Bezüglich des Anregungssignals gilt ferner das im zweiten Funktionsmodi beschriebene.In the third functional mode according to the invention, the control and / or evaluation unit controls or regulates 11 the heating structure 8 in turn such that the heating structure 8th is excited with a substantially constant power. With regard to the excitation signal, the second functional mode also applies.

In dem dritten erfindungsgemäßen Funktionsmodus erfasst die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit die Temperatur der Heizstruktur. Diese Temperatur kann bspw. über eine mathematische Berechnung mit Hilfe des für das Material der Heizstruktur, bspw. Platin, bekannten Temperaturkoeffizienten (TCR) ermittelt werden. Hierzu erfasst die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit den Widerstrand der Heizstruktur und berechnet anschließend die Temperatur. Alternativ kann die Temperatur an der Heizstruktur auch direkt durch ein Heiztemperatursensorelement von der Regelungs- und/oder Auswerteeinheit erfasst werden.In the third functional mode according to the invention, the control and / or evaluation unit detects the temperature of the heating structure. This temperature can be determined, for example, via a mathematical calculation with the aid of the temperature coefficient (TCR) known for the material of the heating structure, for example platinum. For this purpose, the control and / or evaluation unit detects the resistance of the heating structure and then calculates the temperature. Alternatively, the temperature at the heating structure can also be detected directly by a heating temperature sensor element of the control and / or evaluation unit.

Anhand dieser erfassten Temperatur der Heizstruktur ermittelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit das Produkt aus Dichte und spezifischer Wärmekapazität. Hierzu greift die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit auf in dem Speicher hinterlegte Daten, welche in diskreter Form vorliegen, zurück, wobei die Daten die folgende erste Funktion repräsentieren: THeizer = f1(λ, ρ·Cp, Q, P) (Gleichung 3) On the basis of this detected temperature of the heating structure, the control and / or evaluation unit determines the product of density and specific heat capacity. For this purpose, the control and / or evaluation unit accesses data stored in the memory, which are present in discrete form, the data representing the following first function: T heater = f 1 (λ, ρ · Cp, Q, P) (Equation 3)

In 4 ist beispielhaft eine solche erste Funktion dargestellt, aus der die in dem Speicher hinterlegten Daten extrahierbar sind. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass anstelle der ersten Funktion diskrete Werte hinterlegt sind.In 4 By way of example, such a first function is shown from which the data stored in the memory can be extracted. Of course, it is also conceivable that discrete values are stored instead of the first function.

Mit der nun zuvor bereits bestimmten Wärmeleitfähigkeit und der Flussrate sowie der Temperatur der Heizstruktur lässt sich auf das Produkt aus Wärmekapazität und Dichte schließen. Die in 4 dargestellten Kurven sind dabei auf Luft bei einer Temperatur von 25°C normiert. Ferner stellt jede Kurve ein spezifisches Gas bzw. Gasgemisch dar, sodass die oberste Kurve bspw. „Gas1” darstellte und die Kurven darunter entsprechend „Gas2”, „Gas3” und „Gas4”. Wie bereits gesagt, ist jede Kurve spezifisch für ein spezielles Gas bzw. Gasgemisch und müssen vor dem eigentlichen Betrieb des thermischen Strömungssensors diesem zur Verfügung gestellt werden. Dies kann bspw. durch experimentelle Aufnahme solcher Kurven für das jeweilige Gas und Hinterlegung der Kurven in dem Speicher des thermischen Strömungssensors erfolgen.With the heat conductivity and flow rate as well as the temperature of the heating structure already determined, the product of heat capacity and density can be deduced. In the 4 Curves shown are normalized to air at a temperature of 25 ° C. Furthermore, each curve represents a specific gas or gas mixture, so that the uppermost curve represented, for example, "Gas1" and the curves below corresponding to "Gas2", "Gas3" and "Gas4". As already stated, each curve is specific to a particular gas or gas mixture and must be made available to it before the actual operation of the thermal flow sensor. This can be done, for example, by experimentally recording such curves for the respective gas and depositing the curves in the memory of the thermal flow sensor.

Mittels der in 4 dargestellten ersten Funktion lässt sich somit das Produkt aus Wärmekapazität und Dichte bestimmen. Dies soll im nachstehenden Beispiel an konkreten Werten kurz veranschaulicht werden. Hierfür wird angenommen, dass für die Wärmeleitfähigkeit ein Wert von 2 (λ = 2) mittels des zweiten Funktionsmodus ermittelt wurde und, dass für die Flussrate ein Wert von 0,5 m/s (Q = 0,5 m/s) mittels des ersten Funktionsmodus ermittelt wurde. Dieser Werte ist dimensionslos und bezieht sich auf Luft, d. h. dass die Wärmeleitfähigkeit mit bspw. dem Wert von 2 zweimal der Wärmeleitfähigkeit von Luft entspricht.By means of in 4 Thus, the product of heat capacity and density can be determined. This will be briefly illustrated by concrete values in the example below. For this purpose, it is assumed that a value of 2 (λ = 2) was determined for the thermal conductivity by means of the second functional mode and that for the flow rate a value of 0.5 m / s (Q = 0.5 m / s) by means of first function mode was determined. This value is dimensionless and refers to air, ie the thermal conductivity with, for example, the value of 2 twice corresponds to the thermal conductivity of air.

Mit diesen Werten lässt sich zusammen mit einer erfassten Temperatur der Heizstruktur von 357,50 K das Produkt aus Wärmekapazität und Dichte mit dem Wert 2 (cp·ρ = 2) bestimmen. Dieser Wert ist ebenfalls wieder auf Luft normiert.With these values, together with a detected temperature of the heating structure of 357.50 K, the product of heat capacity and density can be determined with the value 2 (c p ρ = 2). This value is also normalized to air again.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Thermischer StrömungssensorThermal flow sensor
22
Gas oder GasgemischGas or gas mixture
33
Substratsubstratum
44
Erster BereichFirst area
55
Aussparungrecess
66
Erste dielektrische SchichtFirst dielectric layer
7 7
Membranmembrane
88th
Heizstrukturheating structure
99
Erstes TemperatursensorelementFirst temperature sensor element
1010
Zweites TemperatursensorelementSecond temperature sensor element
1111
Regelungs- und/oder AuswerteeinheitControl and / or evaluation unit
1212
Anregungssignalexcitation signal
1313
Erstes AntwortsignalFirst response signal
1414
Zweites AntwortsignalSecond response signal
1515
Bereich bei dem die zweite Temperatur unabhängig von der Flussrate istArea where the second temperature is independent of the flow rate
1616
Zweite dielektrische SchichtSecond dielectric layer
QQ
Flussrate [m/s]Flow rate [m / s]
λλ
Thermische Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)]Thermal thermal conductivity [W / (m · K)]
CpCp
Spezifische Wärmekapazität [J/(kg·K)]Specific heat capacity [J / (kg · K)]
ρρ
Dichte [kg/m3]Density [kg / m3]
ρ·Cpρ · Cp
Produkt aus Dichte mal Wärmekapazität [J/K·m3)]Product of density times heat capacity [J / K · m3)]
T1 T 1
Erste TemperaturFirst temperature
T2 T 2
Zweite TemperaturSecond temperature
THeizer T heater
Temperatur der HeizstrukturTemperature of the heating structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Gas concentration and flow speed measurements using a polymer-based membrane sensor”, insbesondere das Kapitel „II. Sensor”, von C. Hepp et al erschienen in 2013 IEEE Sensors, Seiten 1–4 [0022] "Gas concentration and flow velocity measurements using a polymer-based membrane sensor", in particular the chapter "II. Sensor ", by C. Hepp et al published in 2013 IEEE Sensors, pages 1-4 [0022]
  • „Gas concentration and flow speed measurements using a polymer-based membrane sensor”, insbesondere das Kapitel „IV. Characterisation”, von C. Hepp et al erschienen in 2013 IEEE Sensors, Seiten 1–4 [0033] "Gas concentration and flow velocity measurements using a polymer-based membrane sensor", in particular the chapter "IV. Characterization ", by C. Hepp et al published in 2013 IEEE Sensors, pages 1-4 [0033]

Claims (9)

Verfahren zur Bestimmung eines Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) eines Gases bzw. eines Gasgemisches (2) oder einen davon abgeleiteten Wert mittels eines thermischen Sensors (1), insbesondere eines thermischen Strömungssensors, aufweisend die folgenden Schritte: – Bestimmung der thermischen Wärmeleitfähigkeit (λ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2); – Bestimmung einer Flussrate (Q) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ); – Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) oder eines davon abgeleiteten Wertes anhand der bestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ) und der bestimmten Flussrate (Q).Method for determining a product of heat capacity and density (C p · ρ) of a gas or a gas mixture ( 2 ) or a value derived therefrom by means of a thermal sensor ( 1 ), in particular a thermal flow sensor, comprising the following steps: - Determining the thermal thermal conductivity (λ) of the gas or of the gas mixture ( 2 ); Determination of a flow rate (Q) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) based on the determined thermal conductivity (λ); - Determination of the product of heat capacity and density (Cp · ρ) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) or a value derived therefrom on the basis of the determined thermal conductivity (λ) and the determined flow rate (Q). Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) eine Heizstruktur (8) des thermischen Strömungssensors (1) mit einer im Wesentlichen konstanten Leistung angeregt wird.A method according to claim 1, wherein for determining the product of heat capacity and density (Cp · ρ) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) a heating structure ( 8th ) of the thermal flow sensor ( 1 ) is excited with a substantially constant power. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) eine Temperatur der Heizstruktur (THeizer) erfasst wird.A method according to claim 2, wherein for determining the product of heat capacity and density (Cp · ρ) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) a temperature of the heating structure (T heater ) is detected. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung des Produktes aus Wärmekapazität und Dichte (Cp·ρ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) auf eine hinterlegte erste Funktion oder davon abgeleitete Werte zurückgegriffen wird und wobei die erste Funktion den folgenden Zusammenhang aufweist: THeizer = f1(λ, ρ·Cp, Q, P), wobei λ der Wärmeleitfähigkeit, ρ der Dichte, Cp der spezifischen Wärmekapazität Q der Flussrate, P der an dem Heizer angelegten Leistung und THeizer der Temperatur der Heizstruktur entspricht.Method according to one or more of the preceding claims, wherein for the determination of the product of heat capacity and density (Cp · ρ) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) is based on a stored first function or values derived therefrom and wherein the first function has the following relationship: T heater = f 1 (λ, ρ · Cp, Q, P), where λ is the thermal conductivity, ρ is the density, Cp is the specific heat capacity Q of the flow rate, P is the power applied to the heater, and T is the heater temperature of the heating structure. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit eine zweite Temperatur (T2) mittels eines in Bezug auf eine Heizstruktur (8) flussabwärts angeordneten zweiten Temperatursensorelementes (10) erfasst wird.Method according to one or more of the preceding claims, wherein, for determining the thermal conductivity, a second temperature (T 2 ) is determined by means of a reference to a heating structure ( 8th ) arranged downstream of the second temperature sensor element ( 10 ) is detected. Verfahren nach Anspruch 5, wobei anhand der erfassten zweiten Temperatur (T2) die für das Gas bzw. Gasgemisch (2) entsprechende Wärmeleitfähigkeit (λ) ermittelt wird.A method according to claim 5, wherein based on the detected second temperature (T 2 ) for the gas or gas mixture ( 2 ) corresponding thermal conductivity (λ) is determined. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei zur Ermittlung der entsprechenden Wärmeleitfähigkeit (λ) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) eine dritte Funktion oder davon abgeleitete Werte verwendet wird bzw. werden, wobei die dritte Funktion oder die davon abgeleiteten Werte die Abhängigkeit der zweiten Temperatur (T2) von der Flussrate (Q) beschreibt und in einem definierten Bereich im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate (Q) ist, sodass sich eine zweite Temperatur (T2) für den definierten Bereich, der im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate (Q) ist, ermitteln lässt.A method according to claim 5 or 6, wherein for determining the corresponding thermal conductivity (λ) of the gas or the gas mixture ( 2 a third function or values derived therefrom are used, the third function or the values derived therefrom describing the dependence of the second temperature (T 2 ) on the flow rate (Q) and in a defined range substantially independent of the flow rate (Q), so that a second temperature (T 2 ) can be determined for the defined area, which is essentially independent of the flow rate (Q). Verfahren nach Anspruch 7, wobei anhand der zweiten Temperatur (T2) für den definierten Bereich, der im Wesentlichen unabhängig von der Flussrate (Q) ist, die Wärmeleitfähigkeit (λ) ermittelt wird.The method of claim 7, wherein based on the second temperature (T 2 ) for the defined area, which is substantially independent of the flow rate (Q), the thermal conductivity (λ) is determined. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flussrate (Q) des Gases bzw. des Gasgemisches (2) anhand der zuvor bestimmten Wärmeleitfähigkeit (λ) und der zweiten Temperatur (T2) des flussabwärts angeordneten zweiten Temperatursensorelementes (10) bestimmt wird.Method according to one or more of the preceding claims, wherein the flow rate (Q) of the gas or of the gas mixture ( 2 ) based on the previously determined thermal conductivity (λ) and the second temperature (T 2 ) of the downstream arranged second temperature sensor element ( 10 ) is determined.
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