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Die Erfindung betrifft ein Gasmassenstrommessgerät, ein Verfahren zum Messen eines Gasmassenstroms eines Gases und einen Prüfstand.
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Durch deutlich gestiegene Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrauchem, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 auszuführen
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Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figur näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Schema eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
