DE102015107584A1 - Method for determining a product of heat capacity and density - Google Patents
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- G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
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.
- - 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:
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:
Mittels dieser beiden Temperatursensorelemente
Der thermische Strömungssensor
Bezüglich des prinzipiellen Aufbaus des Strömungssensors sei an dieser Stelle auf die Veröffentlichung
In dem ersten Funktionsmodus (erste Zeile der in
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:
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
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
In dem zweiten Funktionsmodus steuert bzw. regelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit
In dem zweiten Funktionsmodus (Erste Zeile der in
Wie in
Beispielsweise lässt sich mit den in
In dem Fall, dass die zweite Temperatur T2 des zweiten Temperatursensorelementes
Bezüglich der beiden Funktionsmodi des Strömungssensors sei an dieser Stelle wiederum auf die Veröffentlichung
In dem dritten erfindungsgemäßen Funktionsmodus steuert bzw. regelt die Regelungs- und/oder Auswerteeinheit
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:
In
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
Mittels der in
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
- 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
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- „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]
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