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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente. Derartige Sensorvorrichtungen werden beispielsweise in der Automobiltechnik zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente eingesetzt, beispielsweise zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere eines Stickstoffanteils in Erdgas, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mit CNG-Kraftstoff. Derartige Sensorvorrichtungen werden beispielsweise auch im Bereich der Haustechnik bei Gasheizungen eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch auch in anderen Arten der Sensorik einsetzbar.
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Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, müssen Gaskonzentrationen zuverlässig bestimmt werden und/oder es muss definiert ein Gasmassenstrom, insbesondere ein Luftmassenstrom, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel, auf das die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen.
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Zur Messung einer Gaskonzentration und/oder eines Gasstroms werden verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.
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Eine Klasse derartiger Sensoren sind Sensoren mit einem Sensorchip. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp dieser Klasse ist der so genannte Heißfilmluftmassensensor (HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Siliziumsensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Ein Sensorprinzip zur Detektion und Messung von Gaskomponenten beruht auf der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Fluidkomponenten und ist beispielsweise in M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications", Sensors, 2002. Proceedings of IEEE beschrieben. So wird beispielsweise zur Detektion von Wasserstoff in einem Luft-Wasserstoff-Gemisch die Tatsache ausgenutzt, dass Wasserstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Luft bzw. die Komponenten der Luft. Bei einem Sensoraufbau, der ähnlich gestaltet ist wie bei Heißfilmluftmassenmessern (HFM), diffundiert zum Beispiel ein Luft-Wasserstoff-Gemisch durch eine dünne Membran oder ein enges Gitter in einen Messraum eines Sensors. Das Vorhandensein von Wasserstoff im gasförmigen Fluid verändert die Temperatur der beheizten Messmembran oder deren Wärmeleistung, die an die Umgebungsluft abgegeben wird. Daraus wiederum wird ein Messsignal erzeugt, welches die Konzentration des Wasserstoffs widerspiegelt.
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Die
DE 10 2006 010 901 A1 beschreibt einen Fluidsensor zur Detektion von fluiden Medien, der einen Sensorchip mit einer mit dem fluiden Medium beaufschlagbaren Chipoberfläche aufweist. Diese Chipoberfläche beinhaltet eine Messoberfläche und eine Festlandsoberfläche. Auf der Messoberfläche sind Leiterbahnen einer Sensorschaltung mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler aufgebracht.
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Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Mit derartigen Sensorvorrichtungen können Gaskomponenten eines komplexen Stoffgemisches, beispielsweise von Erdgas, bestimmt werden und so eine Bestimmung einer Erdgasqualität, auch Heizwert genannt, ermöglichen. Hohe Anteile an Inertgas wie Stickstoff reduzieren den Heizwert. Eine Differenzierung zwischen Erdgas mit einem hohen Heizwert mit geringem Stickstoffanteil, also einer hohen Qualität, und Erdgas mit einem geringen Heizwert mit einem hohen Stickstoffanteil, also einer geringen Qualität, kann mit einer Sensorvorrichtung basierend auf der Messung von Wärmeleitfähigkeit erfolgen. Stickstoff hat beispielsweise gegenüber Methan eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Jedoch weisen auch weitere Gaskomponenten, insbesondere langkettiger Bestandteile wie Ethan und Propan, eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Methan auf und können eine Qualitätsbestimmung mittels Wärmeleitfähigkeit verfälschen. Insbesondere kann eine Bestimmung des Stickstoffanteils mit einer Sensorvorrichtung basierend auf der Messung von Wärmeleitfähigkeit durch weitere Anteile im Erdgas, wie weiteren Alkanen, insbesondere Ethan, Propan, Butan, Pentan, nicht eindeutig sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden daher eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden und welche in den Ansprüchen dargestellt sind.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, vorgeschlagen. In dem Verfahren wird mindestens eine Sensorvorrichtung verwendet. Unter einer Sensorvorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, eine Gaszusammensetzung des Messgases zu bestimmen. Unter einer Bestimmung einer Gaszusammensetzung kann die Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases verstanden werden, insbesondere kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases erfolgen. Grundsätzlich kann die Sensorvorrichtung eingerichtet sein, eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases zu erfassen, beispielsweise eine Temperatur und/oder einen Druck des Gases und/oder Partikel in dem Gas. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich erfassbar. Bei dem Messgas kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Gas handeln, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, Erdgas oder auch ein anderes Gas. Allgemein kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das zu messende Gas befindet. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann.
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Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Sensorelement auf, welches eingerichtet ist, eine Wärmeleitfähigkeit des Messgases zu bestimmen. Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement auf. Unter einem "Sensorelement" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen mindestens eine Messgröße erfasst werden kann. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Signal. Das Sensorelement kann als Chip ausgebildet sein. Unter Wärmeleitfähigkeit kann ein Transport von Energie, insbesondere in Form von Wärme, durch einen Stoff, insbesondere des Messgases, verstanden werden, aufgrund eines Temperaturunterschieds. Das Sensorelement kann mindestens ein Messelement umfassen. Unter einem "Messelement" ist eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens ein Signal zu detektieren. Beispielsweise kann es sich bei dem Messelement um einen Temperaturfühler handeln. Beispielsweise kann der Temperaturfühler mindestens einen elektrischen Widerstand aufweisen.
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Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement auf. Unter einem Heizelement kann eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, das Messgas zu erwärmen. Das Heizelement kann eingerichtet sein, das Sensorelement zu erwärmen. Das Sensorelement kann mindestens ein Basiselement umfassen. Das Basiselement kann aus mindestens einem Halbmaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliziumverbindung, einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Das Sensorelement kann mindestens eine Membran umfassen, auf welcher das Heizelement angeordnet ist. Unter einer "Membran" kann ein beliebiges Element mit einer quadratischen, rechteckigen, polygonförmigen oder gerundeten flächigen Form und einer Dicke verstanden werden, wobei die Ausdehnung des Elements in den Dimensionen innerhalb der flächigen Form die Dicke des Elements überschreitet, beispielsweise um einen Faktor von 10 bis 10000, vorzugsweise um einen Faktor von 100 bis 1000. Die Membran kann für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich durchlässig gestaltet sein. Das Heizelement kann mit einem mikromechanischen Verfahren auf der Membran angeordnet sein. Die Membran kann mindestens ein Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung aufweisen. Weiterhin können die Membran und das Basiselement gemeinsam als Chip ausgebildet sein. Die Membran kann sich über eine Oberfläche des Basiselements erstrecken. Das Heizelement kann vom Messgas umgeben, insbesondere umschlossen sein.
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Das Heizelement ist eingerichtet, um einen Wärmestrom zu erzeugen. Der Begriff „Wärmestrom“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einen Wärmeübertrag. Im Allgemeinen erfolgt der Wärmeübertrag infolge eines Temperaturunterschiedes in Richtung eines Ortes mit einer tieferen Temperatur. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von einer Stelle eines Bauteils zu einer anderen Stelle eines Bauteils erfolgen. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von einem Bauteil in ein anderes Bauteil erfolgen. Das Heizelement kann mindestens einen Heizwiderstand umfassen. Das Heizelement kann eine längliche Form aufweisen. Andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.
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Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit des Messgases, wobei ein erster Wärmestrom bestimmt wird, wobei der erste Wärmestrom in einem Stationärbetrieb der Sensorvorrichtung bestimmt wird;
- b) Bestimmung einer Wärmekapazität des Messgases, wobei ein zweiter Wärmestrom bestimmt wird, wobei der zweite Wärmestrom in einem Instationärbetrieb der Sensorvorrichtung bestimmt wird.
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Die Verfahrensschritte können vorzugsweise in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Hierbei können ein oder sogar mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder alle der Verfahrensschritte einfach oder auch wiederholt durchgeführt werden. Die Bezeichnungen „erster“ und „zweiter“ Wärmestrom werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Wärmeströme bestimmt werden.
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Unter „einem Stationärbetrieb“ kann ein Zustand der Sensorvorrichtung verstanden werden, in welchem eine zu bestimmende Gaszustandsgröße, insbesondere der Wärmestrom, als Funktion der Zeit zumindest teilweise konstant ist. Unter „teilweise konstant“ ist zu verstehen, dass die zu bestimmende Zustandsgröße von einem konstanten Wert nicht mehr als 10 %, bevorzugt nicht mehr als 5 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 1 % abweicht. Nach einem Einschalten der Sensorvorrichtung, insbesondere einem Einschalten des Heizelements, kann sich der Wärmestrom stationär einstellen, insbesondere kann der Wärmestrom einen über eine bestimmte Zeitspanne konstanten Wert aufweisen. Unter einem „Instationärbetrieb“ kann ein Zustand der Sensorvorrichtung verstanden werden, in welchen sich zu bestimmende Gaszustandsgrößen, insbesondere der Wärmestrom, zeitlich verändern. Beispielsweise kann ein Instationärbetrieb während eines Einschaltvorgangs der Sensorvorrichtung, insbesondere des Heizelements, vorliegen.
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Unter der Wärmekapazität eines Stoffes, insbesondere des Messgases, ist grundsätzlich ein Verhältnis einer dem Stoff zugeführten Wärmemenge zu einer bewirkten Temperaturerhöhung zu verstehen. Insbesondere ist die spezifische Wärme, cp, die Wärmemenge, die bei einem konstanten Druck erforderlich ist, um einen Stoff zu erwärmen.
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Unter einer Bestimmung eines Wärmestroms kann grundsätzlich eine Messung des Wärmestroms verstanden werden. Beispielsweise kann die Bestimmung des Wärmestroms eine Kalibrierung und/oder Auswertung von Messwerten umfassen. Der Wärmestrom kann beispielsweise über einen Heizleistungsbedarf ermittelt werden.
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Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit kann folgendermaßen erfolgen. Der erste Wärmestrom kann von einer Heiztemperatur des Heizelements, einer Wandtemperatur von Wänden des Messgasraumes, einer Wärmeleitfähigkeit der Sensorvorrichtung und des Messgasraumes und der Wärmeleitfähigkeit des Messgases abhängen. Im Stationärbetrieb können Heiztemperatur, Wandtemperatur und Wärmeleitfähigkeit der Sensorvorrichtung und des Messgasraumes über eine Dauer der Bestimmung des ersten Wärmestroms zeitlich konstant sein, so dass aus dem bestimmten ersten Wärmestrom die Wärmeleitfähigkeit des Messgases bestimmt werden kann.
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Die Wärmekapazität des Messgases kann von einem Anteil mindestens einer Gaskomponente des Messgases abhängig sein. Das Messgas kann ein komplexes Gasgemisch sein. Aus der Wärmekapazität des Messgases kann mindestens ein Anteil der Gaskomponente des Messgases bestimmt werden. Der zweite Wärmestrom kann von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität des Messgases abhängig sein, wobei aus dem zweiten Wärmestrom und der in Verfahrensschritt a) bestimmten Wärmeleitfähigkeit des Messgases die Wärmekapazität des Messgases bestimmt werden kann. Verfahrensschritt b) kann während eines Einschaltvorgangs der Sensorvorrichtung, insbesondere eines Einschaltvorgangs des Heizelements, durchgeführt werden. Während des Einschaltvorgangs, insbesondere während des Aufheizens des Heizelements, kann der zweite Wärmestrom variieren, insbesondere kann der zweite Wärmestrom nicht konstant und/oder stationär sein. Im Instationärbetrieb, beispielsweise während eines Einschaltvorgangs, kann der zweite Wärmestrom von Heiztemperatur, Wandtemperatur, einer Wärmekapazität der Sensorvorrichtung und des Messgasraumes und der Wärmekapazität des Messgases abhängen. Während der Bestimmung des zweiten Wärmestroms kann die Heiztemperatur, Wandtemperatur und Wärmekapazität der Sensorvorrichtung und des Messgasraums über eine Messdauer der Bestimmung des Wärmestroms zeitlich konstant sein. Geringe Abweichungen von einem konstanten Wert sind grundsätzlich denkbar. Die Wärmeleitfähigkeit des Messgases kann aus dem Verfahrensschritt a) bereits bekannt sein und/oder kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt a) bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeleitfähigkeit des Messgases in einem weiteren Messgasraum bestimmt werden, insbesondere während der Bestimmung des zweiten Wärmestroms. Bei bekannter Wärmeleitfähigkeit des Messgases kann aus dem ermittelten zweiten Wärmestrom die Wärmekapazität des Messgases bestimmt werden.
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Die Verfahrensschritte a) und b) können wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann insbesondere zyklisch durchgeführt werden, wobei ein Zyklus die Durchführung der Verfahrensschritte a) und b) umfasst. Die Verfahrensschritte a) und b) können nacheinander und/oder gleichzeitig durchgeführt werden. Beispielsweise kann Verfahrensschritt b) während eines Einschaltvorgangs der Sensorvorrichtung, insbesondere des Heizelements, durchgeführt werden und Verfahrensschritt a) nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne durchgeführt werden, insbesondere nach einer Einschwingzeit. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung regelmäßig ein- und wieder ausgeschaltet werden und eine vorgebbare Zeitspanne in einem Stationärbetrieb bleiben. Beispielsweise kann nach einer Durchführung des Verfahrensschritts a) ein Ausschaltvorgang der Sensorvorrichtung durchgeführt werden, wobei das Heizelement in dem Ausschaltvorgang abkühlt. Beispielsweise kann das Heizelement vollständig abkühlen. Beispielsweise kann das Heizelement bis zu einer vorbestimmbaren Temperatur abkühlen. Beispielsweise kann eine Heizleistung des Heizelements verändert werden, insbesondere periodisch verändert werden. Eine Zyklusdauer, also die Zeit zur Durchführung eines Zyklus, kann zwischen 0,1 s und 5 s sein.
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In dem Verfahren können mindestens zwei Messgasräume zur Bestimmung der mindestens einen Gaskomponente des Messgases verwendet werden, wobei Verfahrensschritt a) in einem ersten Messgasraum durchgeführt werden kann, wobei Verfahrensschritt b) in einem zweiten Messgasraum durchgeführt werden kann. Die Bezeichnungen „erster“ und „zweiter“ Messgasraum werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Messgasräume vorhanden sind. Verfahrensschritt a) und b) können zeitgleich und/oder zeitlich überlappend durchgeführt werden, so dass Zykluszeiten mit einer Zyklusdauer von unter 1 s möglich sein können.
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Wie oben ausgeführt, kann das Messgas ein komplexes Gasgemisch sein, beispielsweise Erdgas. Beispielsweise kann das Verfahren in einem Kraftfahrzeug mit CNG-Kraftstoff oder für Anwendungen in der Haustechnik bei Gasheizungen eingesetzt werden. Erdgas kann beispielsweise einen Anteil von Methan, einen Anteil von Stickstoff sowie einen Anteil von weitere Alkanen, insbesondere Ethan, Propan, Butan, Pentan umfassen. Das Verfahren kann eine Qualitätsbestimmung von Erdgas umfassen. Unter Qualität von Erdgas kann der Heizwert verstanden werden. Der Heizwert kann von einem Anteil von Inertgas, insbesondere von Stickstoff, abhängig sein. Das Verfahren kann eine Bestimmung eines Stickstoffanteils in Erdgas umfassen. Eine Differenzierung zwischen einem ersten Erdgas mit hoher Qualität („H“), also einem geringen Stickstoffanteil, und einem zweiten Erdgas mit niedriger Qualität („L“), also einem hohen Stickstoffanteil, beispielsweise einem Stickstoffanteil von 8 vol%, kann grundsätzlich durch Vergleich der Wärmeleitfähigkeit des ersten und zweiten Erdgases erfolgen. Stickstoff kann beispielsweise gegenüber Methan eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Jedoch können auch weitere Gaskomponenten, insbesondere Bestandteile wie Ethan und Propan, eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Methan aufweisen. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit von Methan 0,033 W/m/K, von Ethan 0,021 W/m/K, von Propan 0,018 W/m/K und Stickstoff 0,026 W/m/K betragen. So können weitere Gaskomponenten, insbesondere Bestandteile wie Ethan und Propan, eine Qualitätsbestimmung mittels Wärmeleitfähigkeit verfälschen und/oder verhindern. So kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von einem Erdgas mit einem geringen Stickstoffanteil, wie beispielsweise Erdgas mit der Bezeichnung „H Nord“, aufgrund eines Ethananteils von 8 vol% eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Insbesondere kann die Wärmeleitfähigkeit von dem Erdgas mit einem hohen Ethan-Anteil, wie beispielsweise Erdgas mit der Bezeichnung „H Nord“, einer Wärmeleitfähigkeit eines Erdgases mit niedriger Qualität entsprechen, so dass eine eindeutige Qualitätsbestimmung mittels Wärmeleitfähigkeit nicht möglich sein kann. Eine weitere Differenzierung zwischen dem ersten Erdgas mit hoher Qualität und dem zweiten Erdgas mit niedriger Qualität kann mittels der in dem Verfahrensschritt b) bestimmten Wärmekapazität des Messgases erfolgen. Die Wärmekapazität von Stickstoff kann geringer sein als die von den weiteren Gaskomponenten im Erdgas. Die Wärmekapazität kann mit zunehmender Kettenlänge von Kohlenwasserstoffen bezogen auf das Volumen zunehmen. So beträgt die Wärmeleitfähigkeit cp von Methan 2,190 kJ/kg/K, von Ethan 1,660 kJ/kg/K, von Propan 1,700 kJ/kg/K und von Stickstoff 1,040 kJ/kg/K. Durch Vergleich der Wärmekapazitäten kann somit Erdgas mit hoher Qualität, also mit einer hohen Wärmekapazität, von Erdgas mit niedriger Qualität, also mit einer geringen Wärmekapazität, eindeutig unterschieden werden.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils der Gaskomponente vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Sensorelement auf, welches eingerichtet ist, eine Wärmeleitfähigkeit des Messgases zu bestimmen. Das Sensorelement weist mindestens ein Heizelement auf. Die Sensorvorrichtung ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich Definitionen und Ausführungsformen der Sensorvorrichtung kann auf obige Ausführungen zu dem in einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren verwiesen werden.
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Die Sensorvorrichtung kann mindestens eine Auswerteeinheit umfassen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet sein kann, ein Signal des Sensorelements auszuwerten. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen. Die Auswerteeinheit kann insbesondere eingerichtet sein, eine Wärmeleitfähigkeit und/oder Wärmekapazität des Messgases zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung kann mindestens eine Ansteuerung aufweisen, welche eingerichtet ist, eine Temperatur des Heizelements einzustellen und/oder zu verändern. Die Ansteuerung kann beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise mindestens einen Prozessor, insbesondere einen Mikrocontroller, und/oder mindestens eine Programmelektronik umfassen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 die spezifische Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Gase.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung eines Messgases in einem Messgasraum 112, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente. Bei dem Messgas kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Gas handeln, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch, Erdgas oder auch ein anderes Gas. Die Sensorvorrichtung 110 weist mindestens ein Sensorelement 114 auf, welches eingerichtet ist, eine Wärmeleitfähigkeit des Messgases zu bestimmen. Das Sensorelement 114 weist mindestens ein Heizelement 116 auf. Das Heizelement 116 kann eingerichtet sein, das Messgas und das Sensorelement 114 zu erwärmen. Das Sensorelement 114 kann mindestens ein Basiselement umfassen. Das Basiselement kann aus mindestens einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Das Halbleitermaterial kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Silizium, Germanium, Bor, Selen, einer Siliziumverbindung, einer Galliumverbindung, einer Indiumverbindung. Das Sensorelement 114 kann mindestens eine Membran umfassen, auf welcher das Heizelement 116 angeordnet ist. Die Membran kann für unterschiedliche Stoffe unterschiedlich durchlässig gestaltet sein. Das Heizelement 116 kann mit einem mikromechanischen Verfahren auf der Membran angeordnet sein. Die Membran kann mindestens ein Halbleitermaterial in Reinform oder als Verbindung aufweisen. Weiterhin können die Membran und das Basiselement gemeinsam als Chip ausgebildet sein. Die Membran kann sich über eine Oberfläche des Basiselements erstrecken. Das Heizelement 116 kann vom Messgas umgeben, insbesondere umschlossen sein. Das Heizelement 116 kann eingerichtet sein, um einen Wärmestrom zu erzeugen.
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Der Messgasraum 112 kann eingerichtet sein, das Messgas aufzunehmen. Der Messgasraum 112 kann einen von Wänden 118 des Messgasraumes 112 umgebenden Innenraum 120 aufweisen, in welchem sich das Messgas befindet.
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Die Sensorvorrichtung 110 ist eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 dargestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Bestimmung einer Wärmeleitfähigkeit des Messgases, wobei ein erster Wärmestrom bestimmt wird, wobei der erste Wärmestrom in einem Stationärbetrieb der Sensorvorrichtung 110 bestimmt wird;
- b) Bestimmung einer Wärmekapazität des Messgases, wobei ein zweiter Wärmestrom bestimmt wird, wobei der zweite Wärmestrom in einem Instationärbetrieb der Sensorvorrichtung 110 bestimmt wird. Verfahrensschritt a) ist in 2 mit der Bezugsziffer 122 gekennzeichnet. Verfahrensschritt ab ist in 2 mit der Bezugsziffer 124 gekennzeichnet.
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In Verfahrensschritt a) kann der erste Wärmestrom von einer Heiztemperatur des Heizelements 116, einer Wandtemperatur von Wänden 118 des Messgasraumes 112, einer Wärmeleitfähigkeit der Sensorvorrichtung 110 und des Messgasraumes 112 und der Wärmeleitfähigkeit des Messgases abhängen. Im Stationärbetrieb können Heiztemperatur, Wandtemperatur und Wärmeleitfähigkeit der Sensorvorrichtung und des Messgasraumes über eine Dauer der Bestimmung des ersten Wärmestroms zeitlich konstant sein, so dass aus dem bestimmten ersten Wärmestrom die Wärmeleitfähigkeit des Messgases bestimmt werden kann.
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Die Wärmekapazität des Messgases kann von einem Anteil mindestens einer Gaskomponente des Messgases abhängig sein. Das Messgas kann ein komplexes Gasgemisch sein. Aus der Wärmekapazität des Messgases kann mindestens ein Anteil der Gaskomponente des Messgases bestimmt werden. Der zweite Wärmestrom kann von der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmekapazität des Messgases abhängig sein, wobei aus dem zweiten Wärmestrom und der in Verfahrensschritt a) bestimmten Wärmeleitfähigkeit des Messgases die Wärmekapazität des Messgases bestimmt werden kann. Verfahrensschritt b) kann während eines Einschaltvorgangs der Sensorvorrichtung 110, insbesondere eines Einschaltvorgangs des Heizelements 116, durchgeführt werden. Während des Einschaltvorgangs, insbesondere während des Aufheizens des Heizelements 116, kann der zweite Wärmestrom variieren, insbesondere kann der zweite Wärmestrom nicht konstant und/oder stationär sein. Im Instationärbetrieb, beispielsweise während eines Einschaltvorgangs, kann der zweite Wärmestrom von Heiztemperatur, Wandtemperatur, einer Wärmekapazität der Sensorvorrichtung 110 und des Messgasraumes 112 und der Wärmekapazität des Messgases abhängen. Während der Bestimmung des zweiten Wärmestroms kann die Heiztemperatur, Wandtemperatur und Wärmekapazität der Sensorvorrichtung 110 und des Messgasraums 112 über eine Messdauer der Bestimmung des Wärmestroms zeitlich konstant sein. Die Wärmeleitfähigkeit des Messgases kann aus dem Verfahrensschritt a) bereits bekannt sein und/oder kann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt a) bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeleitfähigkeit des Messgases in einem weiteren Messgasraum bestimmt werden, insbesondere während der Bestimmung des zweiten Wärmestroms. Bei bekannter Wärmeleitfähigkeit des Messgases kann aus dem ermittelten zweiten Wärmestrom die Wärmekapazität des Messgases bestimmt werden.
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Die Verfahrensschritte a) und b) können wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann insbesondere zyklisch durchgeführt werden, wobei ein Zyklus die Durchführung der Verfahrensschritte a) und b) umfasst. Die Verfahrensschritte a) und b) können nacheinander und/oder gleichzeitig durchgeführt werden. Beispielsweise kann Verfahrensschritt b) während eines Einschaltvorgangs der Sensorvorrichtung 110 durchgeführt werden und Verfahrensschritt a) nach einer vorbestimmbaren Zeitspanne durchgeführt werden, insbesondere nach einer Einschwingzeit. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 110 regelmäßig ein- und wieder ausgeschaltet werden und eine vorgebare Zeitspanne in einem Stationärbetrieb bleiben. Beispielsweise kann nach einer Durchführung des Verfahrensschritts a) ein Ausschaltvorgang der Sensorvorrichtung 110 durchgeführt werden, wobei das Heizelement 116 in dem Ausschaltvorgang abkühlt. Beispielsweise kann eine Heizleistung des Heizelements 116 verändert werden, insbesondere periodisch verändert werden. Eine Zyklusdauer, also die Zeit zur Durchführung eines Zyklus, kann zwischen 0,1 s und 5 s sein.
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Das Verfahren kann eine Qualitätsbestimmung von Erdgas umfassen, gekennzeichnet mit Bezugsziffer 126. Eine Differenzierung zwischen einem ersten Erdgas mit hoher Qualität („H“), also einem geringen Stickstoffanteil, und einem zweiten Erdgas mit niedriger Qualität („L“), also einem hohen Stickstoffanteil, kann grundsätzlich durch Vergleich der Wärmeleitfähigkeit des ersten und zweiten Erdgases erfolgen. 3 zeigt die spezifische Wärmeleitfähigkeit Lambda in W/m/K in Abhängigkeit von der Temperatur T in °C für verschiedene Gase, nämlich für Stickstoff (Bezugsziffer 128), für Erdgas „L“ (Bezugsziffer 130), für Erdgas „H Nord“ (Bezugsziffer 132), für Erdgas „H GUS“ (Bezugsziffer 134) und für Methan (Bezugsziffer 136). Stickstoff weist eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Methan auf, jedoch können weitere Gaskomponenten, insbesondere Bestandteile wie Ethan und Propan, eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als Methan aufweisen und eine Qualitätsbestimmung mittels Wärmeleitfähigkeit verfälschen und/oder verhindern. So kann beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Erdgas „H Nord“, welches einen geringen Stickstoffanteil aufweist, aufgrund eines Ethananteils von 8 vol% eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und beispielsweise wie in 3 dargestellt nah an der Kurve für Erdgas „L“ mit einem hohen Stickstoffanteil liegen. Eine weitere Differenzierung zwischen dem ersten Erdgas mit hoher Qualität und dem zweiten Erdgas mit niedriger Qualität kann mittels der in dem Verfahrensschritt b) bestimmten Wärmekapazität des Messgases erfolgen. Die Wärmekapazität von Stickstoff kann geringer sein als die von den weiteren Gaskomponenten im Erdgas. Die Wärmekapazität kann mit zunehmender Kettenlänge von Kohlenwasserstoffen bezogen auf das Volumen zunehmen. So beträgt die Wärmeleitfähigkeit cp von Methan 2,190 kJ/kg/K, von Ethan 1,660 kJ/kg/K, von Propan 1,700 kJ/kg/K und von Stickstoff 1,040 kJ/kg/K. Durch Vergleich der Wärmekapazitäten kann somit Erdgas mit hoher Qualität von Erdgas mit niedriger Qualität eindeutig unterschieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19601791 A1 [0004]
- DE 102006010901 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Arndt: „Micromachined Thermal Conductivity Hydrogen Detector for Automotive Applications“, Sensors, 2002. Proceedings of IEEE [0005]
