DE102019113314A1 - Gas mass flow meter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasmassenstrommessgerät, ein Verfahren zum Messen eines Gasmassenstroms eines Gases und einen Prüfstand.
Das erfindungsgemäße Gasmassenstrommessgerät (1), insbesondere zur Messung eines Luftmassenstroms einer Ansaugluft für einen Verbraucher, umfasst
- eine Leitung (2) mit einem Eingang (3), einem Ausgang (4) und einem Messabschnitt (5), durch die das Gas geleitet werden kann,
- eine Messeinrichtung mit mindestens einer Messelektronik (8) und einem Sensor (6) zum Messen eines Gasmassenstroms einer durch die Leitung (2) geleiteten Gases, wobei der mindestens eine Sensor (6) im Messabschnitt (5) angeordnet ist, und
- eine Konditioniereinrichtung zur thermischen Konditionierung der Messelektronik (8).

Figure DE102019113314A1_0000
The invention relates to a gas mass flow meter, a method for measuring a gas mass flow of a gas and a test stand.
The gas mass flow meter (1) according to the invention, in particular for measuring an air mass flow of an intake air for a consumer, comprises
a conduit (2) having an inlet (3), an outlet (4) and a measuring section (5) through which the gas can be passed,
- A measuring device with at least one measuring electronics (8) and a sensor (6) for measuring a gas mass flow of a gas through the line (2), wherein the at least one sensor (6) in the measuring section (5) is arranged, and
- A conditioning device for the thermal conditioning of the measuring electronics (8).
Figure DE102019113314A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasmassenstrommessgerät, ein Verfahren zum Messen eines Gasmassenstroms eines Gases und einen Prüfstand.The invention relates to a gas mass flow meter, a method for measuring a gas mass flow of a gas and a test stand.

Durch deutlich gestiegene Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrauchern, wie insbesondere Verbrennungsmotoren, sind immer aufwendigere Maßnahmen zur Verbrauchs- und Emissionsminderung erforderlich. Jede Änderung am Motor oder dessen Komponenten muss im Prüfstand auf ihre Auswirkungen, z.B. auf Emissionen und Kraftstoffverbrauch untersucht werden. Hierbei spielt die genaue Messung der Luftmenge im Motoransaugtrakt oder auf Komponentenprüfständen eine wichtige Rolle.Due to significantly increased demands on the environmental compatibility of consumers, in particular internal combustion engines, more and more costly measures to reduce consumption and emissions are required. Any change to the engine or its components must be checked in the test bench for their effects, e.g. be examined for emissions and fuel consumption. Accurate measurement of the amount of air in the engine intake system or on component test rigs plays an important role here.

Das erfindungsgemäße Gasmassenstromgerät zur Messung eines Gasmassenstroms für einen Verbraucher umfasst a) eine Leitung mit einem Eingang, einem Ausgang und einem Messabschnitt, durch die das Gas geleitet werden kann, b) eine Messeinrichtung mit einer Messelektronik und mindestens einem Sensor zum Messen eines Gasmassenstroms eines durch die Leitung geleiteten Gases, wobei der mindestens eine Sensor im Messabschnitt angeordnet ist, und c) eine Konditioniereinrichtung zur thermischen Konditionierung der Messelektronik.The gas mass flow apparatus according to the invention for measuring a gas mass flow for a consumer comprises a) a line with an input, an output and a measuring section through which the gas can be passed, b) a measuring device with measuring electronics and at least one sensor for measuring a gas mass flow through the line of conducted gas, wherein the at least one sensor is arranged in the measuring section, and c) a conditioning device for the thermal conditioning of the measuring electronics.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich mittels einer thermischen Konditionierung der Messelektronik die Zuverlässigkeit der Messung erheblich verbessern lässt. Dies spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn das Gas vergleichsweise niedrige Temperaturen aufweist. So hat sich gezeigt, dass sich mit einer geeigneten Konditioniereinrichtung Gas mit Temperaturen von bis zu -40°C oder tiefer mit dem erfindungsgemäßen Messgerät ausreichend sicher messen lassen. Damit ist das Messgerät insbesondere für Anwendungen geeignet, in denen Verbraucher bei unterschiedlichen simulierten Höhen und entsprechenden Unterdrücken geprüft werden. Die Erfindung eignet sich damit insbesondere für den Anwendungsfall, dass der Verbraucher ein Verbrennungsmotor ist, und das das Gas Luft ist. Ein weiterer bevorzugter Anwendungsfall ist, dass der Verbraucher eine Brennstoffzelle und das Gas Wasserstoff ist. Die Konditioniereinrichtung kann sowohl passiv und/oder aktiv ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Konditioniereinrichtung eine Wärmeisolierung, die die Messelektronik von der Leitung thermisch isoliert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Konditioniereinrichtung zusätzlich oder alternativ eine Heizeinrichtung zum Heizen der Messelektronik. Dabei ist die Konditioniereinrichtung so ausgebildet und eingerichtet, die Messelektronik beim Betrieb mit kaltem Gas, insbesondere mit Gas mit einer Temperatur von unter oder höchstens -25 °C, in dem Temperaturarbeitsbereich der Messelektronik, der typischerweise zwischen 5°c bis 45°C liegt, zu halten.The invention is based on the finding that the reliability of the measurement can be considerably improved by means of thermal conditioning of the measuring electronics. This plays a role in particular when the gas has comparatively low temperatures. It has thus been found that with a suitable conditioning device, gas can be measured sufficiently reliably with temperatures of up to -40 ° C. or lower with the measuring device according to the invention. Thus, the meter is particularly suitable for applications in which consumers are tested at different simulated heights and corresponding suppression. The invention is therefore particularly suitable for the application in that the consumer is an internal combustion engine, and that the gas is air. Another preferred application is that the consumer is a fuel cell and the gas is hydrogen. The conditioning device can be formed both passive and / or active. According to a preferred embodiment, a conditioning device comprises a thermal insulation which thermally isolates the measuring electronics from the line. According to a further preferred embodiment, the conditioning device additionally or alternatively comprises a heating device for heating the measuring electronics. In this case, the conditioning device is designed and set up, the measuring electronics when operating with cold gas, in particular with gas at a temperature of below or at most -25 ° C, in the temperature working range of the measuring electronics, which is typically between 5 ° C to 45 ° C, to keep.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen eines Gasmassenstroms eines Gases umfasst die Schritte a) Kühlen des Gases auf eine Temperatur von niedriger oder maximal -25°C, b) Leiten des Gases durch eine Leitung eines Messgeräts zum Messen des Gasmassenstroms, c) Konditionieren einer Messelektronik des Messgeräts derart, dass die Messelektronik in ihrem Temperaturarbeitsbereich gehalten wird, d) Messen des Gasmassenstroms mittels des Messgeräts, e) Leiten des Gases zu einem Verbraucher zum Betreiben des Verbrauchers mit dem gekühlten Gas.The inventive method for measuring a gas mass flow of a gas comprises the steps of a) cooling the gas to a temperature of lower or at most -25 ° C, b) passing the gas through a line of a measuring device for measuring the gas mass flow, c) conditioning a measuring electronics of the Measuring device such that the measuring electronics are kept in their temperature working range, d) measuring the gas mass flow by means of the measuring device, e) passing the gas to a consumer for operating the consumer with the cooled gas.

Ein erfindungsgemäßer Prüfstand für das Prüfen von Verbrauchern ist ausgebildet, die Simulation von Höhen von mindestens 3000m zu ermöglichen, wobei hierfür der Prüfstand ein erfindungsgemäßes Messgerät umfasst und eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführenAn inventive test stand for testing consumers is designed to allow the simulation of heights of at least 3000m, for which purpose the test bench comprises a measuring device according to the invention and is designed to carry out a method according to the invention

Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe further advantageous embodiments of the invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 ein Schema eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the following figure. It shows
  • 1 a diagram of an embodiment of a measuring device according to the invention.

Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes 1 zur Messung eines Gases, hier eines Luftmassenstroms einer Ansaugluft, für einen Verbraucher, hier einen Verbrennungsmotor, umfasst eine Leitung 2 mit einem Eingang 3, einem Ausgang 4 und einem Messabschnitt 5, durch die die Ansaugluft geleitet werden kann, und eine Messeinrichtung mit mindestens einem Sensor 6 zum Messen eines Luftmassenstroms einer durch die Leitung 2 geleiteten Ansaugluft, wobei der mindestens eine Sensor 6 im Messabschnitt 5 angeordnet ist. Zum Steuern und Auswerten umfasst das Messgerät eine Messelektronik 8, die die Signale der Sensoren 6 aufnimmt, verarbeitet, und an eine Schnittstelle 9 des Messgeräts 1 ausgibt. Das Messgerät 1 umfasst zur Bedienung und Anzeige eine Benutzeroberfläche 10, die mit der Messelektronik 8 verbunden ist. Zusätzlich umfasst das Messgerät 1 einen Flussgleichrichter 13, der im Bereich des Eingangs 3 der Leitung 2 angeordnet ist. Die Innenfläche der Leitung 2 ist zylinderförmig mit über die gesamte Länge der Leitung 2 konstantem Durchmesser ausgebildet. Dies ist vorteilhaft für geringe Druckverluste innerhalb der Leitung 2.This in 1 shown embodiment of a measuring device according to the invention 1 for measuring a gas, in this case an air mass flow of an intake air, for a consumer, here an internal combustion engine, comprises a line 2 with an entrance 3 , an exit 4 and a measuring section 5 , through which the intake air can be passed, and a measuring device with at least one sensor 6 for measuring a mass air flow through the duct 2 directed intake air, wherein the at least one sensor 6 in the measuring section 5 is arranged. For controlling and evaluating the measuring device comprises measuring electronics 8th that signals the sensors 6 receives, processes, and interfaces 9 of the meter 1 outputs. The measuring device 1 includes a user interface for operation and display 10 that with the measuring electronics 8th connected is. In addition, the meter includes 1 a flux rectifier 13 in the area of the entrance 3 the line 2 is arranged. The inner surface of the pipe 2 is cylindrical with over the entire length of the pipe 2 formed constant diameter. This is advantageous for low pressure losses within the pipe 2 ,

Das Messgerät 1 umfasst eine Konditioniereinrichtung zur thermischen Konditionierung der Messelektronik 8. Die Konditioniereinrichtung umfasst eine Wärmeisolierung 7, die die Leitung 2 zumindest teilweise umgibt. In diesem Ausführungsbeispiel umgibt die Wärmeisolierung den Messabschnitt 5, in dem die Sensoren 6 angeordnet sind, sowie die übrigen Abschnitte der Leitung 2 vom Eingang 3 bis zum Ausgang 4, so dass die gesamte Leitung 2 wärmeisoliert ist. Eine vollständige Wärmeisolierung hat sich für die Durchführung der Messungen als besonders vorteilhaft herausgestellt. Des Weiteren umfasst die die Konditioniereinrichtung eine Heizvorrichtung zum Heizen der Messelektronik 8. Die Heizvorrichtung ist hier an der Messelektronik 8 angebracht (nicht gezeigt).The measuring device 1 comprises a conditioning device for the thermal conditioning of the measuring electronics 8th , The conditioning device comprises a thermal insulation 7 that the line 2 at least partially surrounds. In this embodiment, the thermal insulation surrounds the measuring section 5 in which the sensors 6 are arranged, as well as the remaining sections of the line 2 from the entrance 3 to the exit 4 so that the entire line 2 is thermally insulated. Complete thermal insulation has proven to be particularly advantageous for carrying out the measurements. Furthermore, the conditioning device comprises a heating device for heating the measuring electronics 8th , The heater is here on the measuring electronics 8th attached (not shown).

Die Konditioniereinrichtung ist so ausgebildet, dass bei einem kontinuierlichem Durchleiten von kalter Luft mit einer Temperatur von bis zu -25°C, hier -40° C, die Messelektronik derart konditioniert wird, dass diese in ihrem vorgesehen Temperaturarbeitsbereich, hier +5°c bis +45°C, arbeitet. Bei Temperaturen bis zu -20°C ist die passive Wärmeisolierung ausreichend, unterhalb von -20°C wird die Heizvorrichtung zum Heizen dazugeschaltet, um die Messelektronik im Arbeitsbereich zu halten.The conditioning device is designed so that in a continuous passage of cold air at a temperature of up to -25 ° C, here -40 ° C, the measuring electronics is conditioned so that these in their intended temperature working range, here + 5 ° C to + 45 ° C, works. At temperatures down to -20 ° C, the passive thermal insulation is sufficient, below -20 ° C, the heating device is switched on for heating to keep the measuring electronics in the work area.

Abhängig von den Bedingungen, unter denen das Messgerät 1 eingesetzt werden soll, kann es ebenfalls annehmbar sein, nur Teilabschnitte der Leitung 2 zu isolieren. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist anstatt der Leitung 2 die Messelektronik 8 von einer Wärmeisolierung umgegeben.Depends on the conditions under which the meter 1 can be used, it may also be acceptable, only sections of the line 2 to isolate. In another embodiment, instead of the line 2 the measuring electronics 8th surrounded by a thermal insulation.

Die Wärmeisolierung 7 ist hier ein zusätzliches, wärmeisolierendes Material, was an der Leitung 2, die im Wesentlichen rohrförmig ist, befestigt ist, beispielsweise mittels Klebens oder Festbindens. Eine Alternative wäre, die Leitung 2 selbst wärmeisolierend auszubilden, beispielsweise durch die Wahl eines geeigneten Materials und/oder wärmeisolierenden Strukturen, wie Hohlräume.The thermal insulation 7 Here is an additional, heat-insulating material, which is on the line 2 , which is substantially tubular, is fixed, for example by means of gluing or tying. An alternative would be the line 2 itself thermally insulating form, for example by the choice of a suitable material and / or heat insulating structures, such as cavities.

Die Messelektronik 8 ist derart eingerichtet, bei der Bestimmung des Luftmassenstroms etwaige Geometrieänderungen der Leitung aufgrund der Temperatur der Ansaugluft zu berücksichtigen. Damit kann die Messgenauigkeit deutlich erhöht werden, insbesondere wenn die Ansaugluft tiefe Temperaturen von weniger als -25° hat. Die Berücksichtigung erfolgt über eine in einem Speicher der Messelektronik 8 hinterlegte Wertetabelle, in denen für verschiedene Temperaturen Korrekturfaktoren aufgenommen sind. Abhängig von der Temperatur der Ansaugluft, die beispielsweise über einen Temperatursensor erhältlich ist, wird der entsprechende Korrekturfaktor verwendet. Alternativ wäre es möglich, ein Modell zu verwenden.The measuring electronics 8th is arranged to take into account any changes in geometry of the duct due to the temperature of the intake air when determining the air mass flow. Thus, the measurement accuracy can be significantly increased, especially if the intake air has low temperatures of less than -25 °. The consideration takes place via a in a memory of the measuring electronics 8th stored value table in which correction factors are recorded for different temperatures. Depending on the temperature of the intake air, which is available for example via a temperature sensor, the corresponding correction factor is used. Alternatively, it would be possible to use a model.

Die Messeinrichtung ist ausgebildet, den Luftmassenstrom berührungslos mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens zu ermitteln. Die Sensoren 6, hier vier Messpfade mit insgesamt acht Sensoren 6, sind sämtliche Ultraschallsensoren. Zwei der Sensoren 6 sind in einem Messblock 11 des Messgeräts 1 gegenüberliegend in einem definierten Winkel zur Achse 12 der Leitung 2 angeordnet, zwei weitere Sensoren 6 stromabwärts in einem 90°Winkel zu Achse 12 der Leitung 2. Das Laufzeitdifferenzverfahren als Messverfahren ist grundsätzlich bekannt, es hat sich aber gezeigt, dass es für die Verwendung für den genannten Zweck, hier die Bestimmung des Luftmassenstroms bei tiefen Temperaturen, besonders geeignet ist.The measuring device is designed to determine the air mass flow without contact by means of a transit time difference method. The sensors 6 , here are four measuring paths with a total of eight sensors 6 , are all ultrasonic sensors. Two of the sensors 6 are in a measuring block 11 of the meter 1 opposite at a defined angle to the axis 12 the line 2 arranged, two more sensors 6 downstream at a 90 ° angle to the axis 12 the line 2 , The transit time difference method as a measuring method is basically known, but it has been shown that it is particularly suitable for use for the stated purpose, here the determination of the air mass flow at low temperatures.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Luftmassenstroms einer Ansaugluft unter Verwendung des Messgerätes1 umfasst die Schritte

  • - Kühlen der Ansaugluft auf eine Temperatur von niedriger oder maximal -25°C
  • - Leiten der Ansaugluft durch die Leitung 2 des Messgeräts 1 zum Messen des Luftmassenstroms,
  • - Konditionieren der Messelektronik 8 des Messgeräts 1 derart, dass die Messelektronik in ihrem Temperaturarbeitsbereich gehalten wird,
  • - Messen des Luftmassenstroms mittels des Messgeräts 1,
  • - Leiten der Ansaugluft zum Verbrennungsmotor zum Betreiben des Verbrauchers mit der gekühlten Ansaugluft.
An exemplary embodiment of a method according to the invention for measuring an air mass flow of intake air using the measuring device 1 comprises the steps
  • - Cooling the intake air to a temperature of lower or maximum -25 ° C
  • - Passing the intake air through the pipe 2 of the meter 1 for measuring the air mass flow,
  • - conditioning the measuring electronics 8th of the meter 1 such that the measuring electronics are kept in their temperature working range,
  • - Measuring the air mass flow by means of the measuring device 1 .
  • - Passing the intake air to the engine for operating the consumer with the cooled intake air.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prüfstands für das Prüfen von Verbrauchern, der die Simulation von Höhen von mindestens 3000m, hier mindestens 5000m, ermöglicht, hier über die Einstellen eines entsprechenden Drucks und Temperatur, umfasst ein Messgerät 1 und ist eingerichtet, oben beschriebenes Verfahren zum Messen eines Luftmassenstroms durchzuführen. Die Technik, Ansaugluft mit Temperaturen unter -25°C und geeigneten Drücken bereitzustellen, ist grundsätzlich bekannt. Das Messgerät 1 ermöglicht, auch bei tiefen Temperaturen mit geeigneter Zuverlässigkeit den Luftmassenstrom der Ansaugluft zu messen.An embodiment of a test bench according to the invention for testing consumers, which allows the simulation of heights of at least 3000m, here at least 5000m, here via the setting of a corresponding pressure and temperature, comprises a measuring device 1 and is arranged to perform the above-described method for measuring an air mass flow. The technique of providing intake air with temperatures below -25 ° C and appropriate pressures is basically known. The measuring device 1 makes it possible to measure the air mass flow of the intake air with suitable reliability even at low temperatures.

Claims (9)

Gasmassenstrommessgerät (1), insbesondere Luftmassenstrommessgerät zur Messung eines Luftmassenstroms einer Ansaugluft für einen Verbrennungsmotor, umfassend - eine Leitung (2) mit einem Eingang (3), einem Ausgang (4) und einem Messabschnitt (5), durch die das Gas geleitet werden kann, - eine Messeinrichtung mit einer Messelektronik (8) und mindestens einem Sensor (6) zum Messen eines Gasmassenstroms einer durch die Leitung (2) geleiteten Gases, wobei der mindestens eine Sensor (6) im Messabschnitt (5) angeordnet ist, und - eine Konditioniereinrichtung zur thermischen Konditionierung der Messelektronik (8).Gas mass flow meter (1), in particular mass air flow meter for measuring an air mass flow of intake air for an internal combustion engine, comprising - a line (2) having an inlet (3), an outlet (4) and a measuring section (5) through which the gas can be passed , - a measuring device with a measuring electronics (8) and at least one sensor (6) for measuring a gas mass flow through the line (2) guided gas, wherein the at least one sensor (6) in the measuring section (5) is arranged, and - a conditioning device for thermal conditioning of the measuring electronics (8). Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Konditioniereinrichtung eine Wärmeisolierung (7) umfasst, die die Messelektronik (8) von der Leitung (2) thermisch isoliert.Meter after Claim 1 in that the conditioning device comprises a heat insulation (7) which thermally insulates the measuring electronics (8) from the line (2). Messgerät nach Anspruch 2, wobei die Wärmeisolierung (7) zumindest teilweise die Leitung (2), vorzugsweise zumindest teilweise den Messabschnitt (5), und/oder zumindest teilweise die Messelektronik (8) umgibt.Meter after Claim 2 wherein the thermal insulation (7) at least partially surrounds the conduit (2), preferably at least partially the measuring section (5), and / or at least partially the measuring electronics (8). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konditioniereinrichtung eine Heizvorrichtung zum Heizen der Messelektronik (8) umfasst.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the conditioning device comprises a heating device for heating the measuring electronics (8). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einen Innenfläche der Leitung (2) zylinderförmig mit über die gesamte Länge der Leitung (2) konstantem Durchmesser ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein an inner surface of the conduit (2) is cylindrical in shape over the entire length of the conduit (2) of constant diameter. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung ausgebildet ist, den Gasmassenstrom berührungslos mittels eines Laufzeitdifferenzverfahrens zu ermitteln.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the measuring device is designed to determine the gas mass flow without contact by means of a transit time difference method. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Sensor (6) ein Ultraschallsensor (6) ist.Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the at least one sensor (6) is an ultrasonic sensor (6). Verfahren zum Messen eines Gasmassenstroms, umfassend die Schritte - Kühlen des Gases auf eine Temperatur von höchstens -25°C, - Leiten des Gases durch eine Leitung (2) eines Messgeräts (1) zum Messen des Gasmassenstroms, - Konditionieren einer Messelektronik (8) des Messgeräts (1) derart, dass die Messelektronik in ihrem Temperaturarbeitsbereich gehalten wird, - Messen des Gasmassenstroms mittels des Messgeräts (1), - Leiten des Gases zu einem Verbraucher zum Betreiben des Verbrauchers mit dem gekühlten Gas.A method of measuring a gas mass flow comprising the steps Cooling the gas to a temperature of at most -25 ° C, Passing the gas through a line (2) of a measuring device (1) for measuring the gas mass flow, Conditioning a measuring electronics (8) of the measuring device (1) such that the measuring electronics are kept in their temperature operating range, Measuring the gas mass flow by means of the measuring device (1), - Passing the gas to a consumer to operate the consumer with the cooled gas. Prüfstand für das Prüfen von Verbrauchern, der ausgebildet ist, die Simulation von Höhen von mindestens 3000m, vorzugsweise mindestens 5000m, zu ermöglichen, wobei hierfür der Prüfstand ein Messgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, und eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 8 auszuführen.Test bench for testing of consumers, which is designed to allow the simulation of heights of at least 3000m, preferably at least 5000m, for which purpose the test stand is a measuring device (1) according to one of Claims 1 to 7 includes, and is set up, a method according to Claim 8 perform.
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