DE69231977T2 - Vorrichtung zur verbrennungslosen messung der qualität von gasförmigem brennstoff - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft verbrennungslose Messungen der Qualität gasförmiger Brennstoffe, die Gas verbrauchenden Vorrichtungen und insbesondere Erdgas verbrauchenden Vorrichtungen zugeführt werden.
• Die US-A-4,956,793 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Dichte von Fluiden. Das spezifische Gewicht eines Fluids wird auf der Basis der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme bestimmt. Die Vorrichtung verwendet Wärmesensorelemente und ein benachbart angeordnetes Widerstandsheizelement, die durch das interessierende Fluid gekoppelt sind. An das Heizelement werden elektrische Energie impulse einer solchen Höhe und Dauer angelegt, daß in dem Sensor sowohl eine vorübergehende Schwankung als auch eine im wesentlichen stabile Temperatur auftritt. Die Wärmeleitfähigkeit wird basierend auf dem Sensorausgangssignal bei einer stabilen erhöhten Temperatur ermittelt, und die spezifische Wärme wird basierend auf der Änderungsgeschwindigkeit des Sensorausgangssignals während eines Zeitintervalls einer vorübergehenden Temperaturschwankung in dem Sensor ermittelt. Das spezifische Gewicht wird dann aus der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme unter Verwendung einer empirischen Polynomformel ermittelt.
• Die am 9. April 1991 eingereichte und am 21. Oktober 1992 veröffentlichte GB-A-22 54 924 beschreibt die Bestimmung der Brennstoffdichte aus Sensoren für die Temperatur, die dielektrische Konstante und die Schallgeschwindigkeit, die auf einer oder mehreren Sonden in dem Brennstoff angebracht sind. Ein Mikroprozessor verfolgt das Sensorausgangssignal und ermittelt die Art des Düsenbrennstoffs und die Dichte des Brennstoffs unter Verwendung von Daten aus Brennstoffproben bekannter Dichte und eines Fits der Testdaten nach der Methode der kleinsten Quadrate.
• Die US-A-4,885,938, die Fluidzusammensetzungskorrekturen für Durchflußmesser behandelt, verwendet die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme und die Dichte des Fluids zur Korrektur eines Massendurchflußmessers in Bezug auf Schwankungen der Zusammensetzung des Fluids. Die Beschreibung erwähnt, daß ein Mikroanemometersensor zur direkten Messung der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme verwendet werden kann, indem ein Energie- oder Temperaturimpuls in einem oder mehreren Heizelementen erzeugt wird, die eng mit dem Fluid gekoppelt angeordnet sind. Charakteristische Werte der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärme bewirken entsprechende Schwankungen in dem zeitlich veränderlichen Temperaturansprechverhalten des Heizelements auf den Impuls. Bei vergleichweise statischen Probenströmungsbedingungen induziert dies wiederum entsprechende Schwankungen des zeitlich veränderlichen Ansprechverhaltens eines temperaturempfindlichen Sensors, der über das Fluidmedium mit dem Heizelement gekoppelt ist.
• Der Artikel des Gas Research Institute, Dezember 1984: A. N. J. Pearman, Low-Cost Gas BTU Meter Using Physical Property Measurements, Seiten 2-13 bis 2-18 beschreibt einen Algorithmus zur Untersuchung von Gaseigenschaften. Der in diesem Artikel beschriebene Algorithmus verwendet zwei Eigenschaften und ein Polynom vierten Grades. Für jedes Eigenschaftspaar werden Koeffizienten des Algorithmus unter Verwendung einer Probeneigenschaftsdatei und einer Software zur multivariablen Regressionsanalyse berechnet.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät bereitzustellen, das in der Lage ist, die Qualität eines Brenngases ohne die Verbrennung des Gases auf einfachere Weise als in den vorbekannten verbrennungslosen Verfahren zu bestimmen.
• Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erfüllt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine empirische Formel verwendet, die bestimmte, ohne weiteres meßbare Gasparameter mit den erwünschten Messungen korreliert, d. h. mit dem Wärmeinhalt, der Dichte und dem Prozentgehalt von Inertgasen. Das hier angegebene Gerät verwendet eine Formel der Form:
• u = a&sub0; + b&sub1;nt1n1 + b&sub2;nt2n2 +...+ c¹kt1m1 + c&sub2;kt2m2 +... (1) + d&sub1;cPt1p1 + d&sub2;cpt2P2 +... + e&sub1;At1u1 + e2At2u2 +...
• wobei:
• a&sub0;, b&sub1;, b&sub2;, c&sub1;, c&sub2;, d&sub1;, d&sub2;, e&sub1;, e&sub2; = Konstanten;
• n&sub1;, n&sub2;, m&sub1;, m&sub2;, p&sub1;, p&sub2;, u&sub1;, u&sub2; = Exponenten;
• nti = Viskosität bei verschiedenen Temperaturen ti;
• kti = Wärmeleitfähigkeiten bei verschiedenen Temperaturen ti;
• cpti = spezifische Wärme bei verschiedenen Temperaturen ti; und
• Ati = optische Absorption bei verschiedenen Temperaturen ti.
• Fachleute werden erkennen, daß zusätzliche ohne weiteres gemessene Gasparameter, wie beispielsweise die Schallgeschwindigkeit, ebenfalls in die obige Formel aufgenommen werden können, vorausgesetzt, die insgesamt neuartige Form der Gleichung wird beibehalten. Ebenso können einer oder mehrere gemessene Terme, zum Beispiel die Viskosität, die spezifische Wärme und/oder die optische Absorption aus der Formel ausgelassen werden, falls sie nicht nötig sind, um einen gewünschten Genauigkeitsgrad zu erreichen. Zumindest zwei verschiedene Terme werden jedoch für notwendig gehalten.
• Beispielsweise wird bei einer speziellen Ausführungsform die empirische Formel der Anmelderin wie folgt ausgedrückt:
• u = a&sub0; + b&sub1;f(n)o1 + c&sub1;f&sub1;(kt1, kt2)m1 + c&sub2;f&sub2;(kt1,kt2)m2 (2)
• wobei
• u = Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen
• a&sub0;, b&sub1;, c&sub1; & c&sub2; = Konstanten;
• o1, m1 & m2 = Exponenten;
• n = Viskosität;
• kt1 = Wärmeleitfähigkeit bei einer ersten Temperatur und
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit bei einer zweiten Temperatur.
• Vor der Feststellung eines erwünschten Wertes erfordert das Verfahren der Anmelderin die folgenden Schritte: Leiten zumindest eines Teilgasstroms des Brennstoffgases durch eine Sensorkammer mit einer Mehrzahl von Sensoren in Kontakt mit einem Brennstoffgas; Erzeugen eines ersten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren, wobei das erste elektrische Signal repräsentativ ist für eine erste Brennstoffgasqualität, wobei die erste Brennstoffgasqualität eine der Größen Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Viskosität oder optische Absorption umfaßt; Leiten des ersten elektrischen Signals zu einem Computermittel; Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren, wobei das zweite elektrische Signal repräsentativ ist für eine zweite Brennstoffgasqualität, wobei die zweite Brennstoffgasqualität eine der Größen Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Viskosität oder optische Absorption umfaßt, wobei die zweite Brennstoffgasqualität eine Brennstoffgasqualität umfaßt, die von der ersten Gasqualität verschieden ist; Leiten des zweiten elektrischen Signals zu dem Computermittel; und schließlich Verwenden des Computermittels, um ein Signal für wenigstens eine Messung unter Verwendung des ersten und des zweiten elektrischen Signals als Maß für den Wärmeinhalt, die Dichte und den Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases gemäß folgender Formel abzuleiten:
• u = a&sub0; + b&sub1;xm1 + c&sub1;yp1
• wobei:
• u = Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases,
• a&sub0;, b&sub1;, c&sub1; = Konstanten,
• m1, p1 = Exponenten
• x = das für die erste Brennstoffgasqualität repräsentative Signal und
• y = das für die zweite Brennstoffgasqualität repräsentative Signal.
• Es werden spezifische Werte für die Konstanten und Exponenten bereitgestellt, die durch Anwendung linearer Progressionsanalyse auf experimentelle Testergebnisse definiert wurden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Gerät zur verbrennungslosen Messung von Brennstoffgas. Das Gerät umfaßt eine Sensorkammer mit einer Mehrzahl von Sensoren darin und Leitungsmittel zum Leiten zumindest eines Teilstroms des Brennstoffgases durch die Sensorkammer, so daß das Gas Kontakt mit der Mehrzahl von Sensoren hat. Ein erstes Erzeugungsmittel ist zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren vorgesehen. Das erste elektrische Signal ist repräsentativ für eine erste Brennstoffgasqualität, die eine der Größen Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Viskosität oder optische Absorption des Brennstoffgases umfaßt. Ein Übertragungsmittel leitet das erste elektrische Signal zur Verarbeitung zu einem Computer. Es ist auch ein zweites Erzeugungsmittel zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren enthalten. Das zweite elektrische Signal ist repräsentativ für eine zweite Brennstoffgasqualität, die von der ersten Brennstoffgasqualität verschieden ist. Die zweite Brennstoffgasqualität umfaßt eine der Größen Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, Viskosität oder optisce Absorption des Brennstoffes. Ein Übertragungsmittel leitet wiederum das zweite elektrische Signal zur Verarbeitung zu dem Computer. Der Computer wird dann dazu verwendet, periodisch zumindest ein Signal zur Messung oder/und Regulierung unter Verwendung des ersten und des zweiten erzeugten elektrischen Signals als Maß für zumindest eine der Größen Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases gemäß folgender Formel abzuleiten;
• u = a&sub0; + b1Xm1 + cyp1
• wobei:
• u = eine der Größen Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases,
• a&sub0;, b&sub1;, c&sub1; = Konstanten,
• m1, p1 = Exponenten,
• x = das für die erste Brennstoffgasqualität repräsentative Signal, und
• y - das für die zweite Brennstoffgasqualität repräsentative Signal.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Mehrzahl von Sensoren Mikrosensoren, die innerhalb der Kammern so angeordnet sind, daß sie einen Gasstrom von im wesentlichen Null antreffen. Zusätzliche Ausführungsformen des Verfahrens und des Geräts der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in dem abschließenden Teil der Beschreibung besonders hervorgehoben und in aller Deutlichkeit beansprucht. Die Erfindung kann jedoch sowohl hinsichtlich Gestaltung als auch praktischer Vorgehensweise, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen von ihr, am besten unter Bezug auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den folgenden beigefügten Zeichnungen erfolgt:
• Fig. 1 ist eine Übersicht über die Arbeitsweise einer Verfahrensausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Geräts der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der in Fig. 1 dargestellten Analogschaltungsplatine;
• Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) stellen mehrere Heizelement/Sensor-Konfigurationen von Mikrobrückensystemen gemäß der von der Anmelderin bevorzugten Implementierung der vorliegenden Erfindung dar;
• Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Zeit/Temperatur-Ansprechkurven des Sensors entsprechend einem Heizimpuls;
• Fig. 6 ist ein teilweise schematisches Blockdiagramm einer Schaltung zur Verwendung bei einem in Fig. 4(b) dargestellten Sensor gemäß der bevorzugten Implementierung;
• Fig. 7 ist eine ausführlichere Schaltungsskizze mit Bezug auf Fig. 4(c); und
• Fig. 8 ist ein schematisches Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform mit Wärmeleitfähigkeitssensor einschließlich Kalibrierungs- und Gebrauchsfunktionen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Wie oben kurz dargelegt wurde, ist für die Art der technischen Ausführung des Gegenstands der Erfindung, wie er in den beigefügten Vorrichtungs- und Verfahrensansprüchen definiert ist, die Entdeckung von zentraler Bedeutung, daß der Wärmeinhalt, die Dichte und die prozentuale Konzentration von Inertgasen jeweils ohne weiteres und genau durch einen empirischen Ausdruck bestimmt werden kann, beispielsweise in der folgenden Form:
• u = a&sub0; + b1f(n)o1 + c&sub1;f&sub1;(kt1, k\t2)m1 + c&sub2;f&sub2;(kt1, kt2)m2 (2)
• wobei
• u = Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen;
• a&sub0;, b&sub1;, c&sub1; & c&sub2; = Konstanten;
• o1, m1 & m2 = Exponenten;
• n = Gasviskosität;
• kt1 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur t1;
• und
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur t2.
• (Einheiten für die verschiedenen gemessenen Paramter und Berechnungen sind in Tabelle 11 unten angegeben.) Die Anmelderin hat auch entdeckt, daß mehrere andere ohne weiteres meßbare Parameter, die für das Brennstoffgas charakteristisch sind, wie beispielsweise die spezifische Wärme cp und die optische Absorption A, ermittelt und dazu verwendet werden können, um die Viskosität n und die Wärmeleitfähigkeit k, Variablen von Gleichung (2), zu ergänzen oder zu ersetzen (siehe z. B. Gleichung (1) oben und Gleichung (8) unten). Ungeachtet der Verwendung verschiedener Gasparameterkombinationen wird die ingesamte Form der Gleichungen (1), (2), (8) etc. jedoch beibehalten. (Wie angegeben, drückt Gleichung (2) zum Teil die Wärmeleitfähigkeit des Gases als Funktion zweier Ablesungen kt1 und kt2 aus (siehe z. B. Gleichungen (3) - (7) unten). Ein Fachmann auf dem Gebiet der Mathematik könnte diese Terme falls gewünscht auflösen, um eine deutlicher in der Form von Gleichung (1) gehaltene Gleichung zu erhalten.) Alle hier erläuterten Gasparameter sind ohne weiteres unter Verwendung vorhandener Technik meßbar, unten werden aber bevorzugte Implementierungsverfahren und Vorrichtungen beschrieben und beansprucht.
• Es werden hier spezielle Algorithmusbeispiele zur Bestimmung der Qualität von Erdgasen vorgesehen. Die Anmelderin glaubt jedoch, daß die empirische Formel ebenso bei anderen Arten von Brennstoffgasen anwendbar ist und daß ein Fachmann die notwendigen spezifischen Gleichungen dafür aus den hier bereitgestellten Informationen ableiten kann.
• Fig. 1 zeigt einen Überblick über den Ablauf eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das unter Verwendung des Algorithmus von Gleichung (2) ausgeführt wird. Anfangs muß ein Teil des Brennstoffgases durch eine (unten erläuterte) Sensorkammer umgeleitet werden 10 "Umleitung eines Teils des strömenden Brennstoffgases durch Sensorkammer". Es werden eine erste und eine zweite Messung vorgenommen, 12 "Messung der Viskosität des Brennstoffgases an einem ersten Sensor" beziehungsweise 14 "Messung der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei erster Temp. an einem zweiten Sensor". Danach wird die Temperatur des Brennstoffgases an dem zweiten Sensor erhöht 16 "Erhöhen der Temp. des zu dem zweiten Sensor benachbarten Brennstoffgases" und die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei der erhöhten Temperatur ermittelt 18 "Messung der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei zweiter Temp. am zweiten Sensor". Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Erhöhung der Temperatur des zu dem zweiten Sensor benachbarten Brennstoffgases ohne weiteres erreicht, indem der Strom durch eine (unten beschriebene) Mikrobrückenstruktur erhöht wird, die dazu verwendet wird, die Messungen der Wärmeleitfähigkeit zu erhalten. Die zwei Temperaturen, bei denen die Wärmeleitfähigkeit gemessen wird, sollten so ausgewählt werden, daß das Signal/Rausch-Verhältnis des resultierenden Mikrobrückenausgangssignals optimiert ist. Falls anfangs eine zu niedrige Temperatur t1 gewählt wird, ist das Differenzsignal nicht stark genug, und falls eine zu hohe zweite Temperatur für t2 gewählt wird, wird die Betriebslebensdauer des Sensors kurz sein. Ungefähr 70ºC und 120ºC dürften Beispiele für annehmbare Werte der ersten Temperatur t1 und der zweiten Temperatur t2 zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit mit der hier beschriebenen Anordnung sein.
• Als nächstes erfordert das Verfahren die Korrektur gemessener Werte der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit, um Einflüsse der Schwankungen von Gastemperatur, Gasdruck und Schaltungstemperatur zu berücksichtigen, 20 "Korrigieren der Messungen der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases basierend auf Brennstoffgastemp., - druck und Sensorschaltungstemp.". Werte der Viskosität und Wärmeleitfähigkeit können unter Verwendung des gemessenen absoluten Drucks und der Temperatur des Brennstoffgases auch in normierte Meßwerte umgewandelt werden. Gleichung (2) wird dann dazu verwendet, den erwünschten Heizwert, die Dichte oder die Werte der prozentualen Konzentration von Inertgasen für das Brennstoffgas zu bestimmen, 22 "Berechnen des Heizwerts, der Dichte oder der prozentualen Konzentration von Inertgasen für das Brennstoffgas". Dieser Wert wird dann entweder gespeichert oder angezeigt, 24 "Speicherung oder Anzeige der berechneten Brennstoffgasqualität", und danach kehrt der Ablauf zu Schritt 12 zurück, d. h. nach einer Zeitverzögerung, 26 "Zeitverzögerung". Die Zeitverzögerung 26 muß ausreichend dafür sein, daß der Wärmeleitfähigkeitssensor auf das erste Temperaturniveau t1, d. h. die Temperatur der Sensorkammer, zurückkehrt. Bei einer Mikrobrückensensorkonfiguration, wie sie unten beschrieben wird, erfordert dies nur einige Millisekunden.
• Bei einem spezifischeren Beispiel wird Formel (2) bei dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zunächst dazu verwendet, um verbrennungslos den Heizwert oder Wärmeinhalt eines Brennstoffgases, wie beispielsweise eines natürlichen oder synthetischen Brennstoffs, zu ermitteln.
• Unter Verwendung eines beliebigen handelsüblichen Programms zur linearen Progressionsanalyse lautet eine spezifische Gleichung zur Ableitung des Wärmeinhalts von Erdgas, die die Form von Gleichung (2) annimmt:
• Hc = 3643,53 + 1050,71(102/n)³ (3) - 7,60221kt2 - 2294,2(kt2/kt1)
• wobei:
• Hc = Wärmeinhalt des Gases;
• N = Viskosität;
• kt1 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur t1 und
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur t1.
• Obwohl unten bevorzugte Techniken zur Messung der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit beschrieben werden, können beide Parameter ohne weiteres von einem Fachmann unter Verwendung derzeit verfügbarer Technik ermittelt werden. Beispielsweise ist die Viskosität meßbar, indem man den Druckabfall über eine Kapillare bestimmt, durch die ein bekanntes Gasvolumen mit einer positiven Verdrängerpumpe gepumpt wird, und die Wärmeleitfähigkeit kann unter Verwendung einer herkömmlichen Wheatstone-Brückenschaltung ermittelt werden. Aus umfangreichen Tests hat die Anmelderin ermittelt, daß die Verwendung von Gleichung (3) zur Ermittlung des Wärmeinhalts von Erdgas einen maximalen Fehler von 0,06696 MJ/m³ bei einem Standardfehler von 0,01831 MJ/m³ ergibt. Dieses Ergebnis liegt weit innerhalb akzeptabler Fehlergrenzen, die von der Industrie vorgegeben werden.
• Sobald sie erhalten wurden, werden abgeleitete Wärmeinhaltswerte abhängig von der für eine spezielle Anwendung erforderlichen Messung und/oder Regelinformation angezeigt oder zu Aufzeichnungsinstrumenten übertragen oder als Steuerungsimpulse abgegeben. Das Verfahren und die Einrichtung sind auch zur Installation in Meßstationen von Hochdruckgasübertragungsleitungen (-pipelines) für weite Entfernungen geeignet, bei denen die durchströmende (Wärme-) Menge kontinuierlich aufgezeichnet wird.
• Ein wichtiger, sich aus der Verwendung einer Formel der Art von Gleichung (1) und (2) ergebender Nutzen ist der synergistische Nutzen, der daraus gezogen wird, wenn sie in ein Verfahren und eine Anordnung integriert wird, wie sie hier beansprucht werden. Insbesondere kann jede der Größen Wärmeinhalt, Dichte und Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases ohne weiteres unter Verwendung der gleichen grundlegenden Messungen, z. B. der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit, und der gleichen grundlegenden Algorithmusart, z. B. der Gleichung (1), (2) oder (8), berechnet werden. Dies ist der Fall, weil jeder dieser Werte ein Maß für die "Eigenschaft" des Brennstoffgases umfaßt.
• Die Ermittlung der Dichte eines Brennstoffgases ist, zusammen mit Gaskompressibilitätsfaktoren und Densitometerberechnungen, wichtig für die Berechnung des Blendenkoeffizienten des Gases, der zum Betrieb eines typischen Blendenströmungsmessers notwendig ist. Durch Verwendung von Formel (2) sieht die vorliegende Erfindung ein kostengünstiges und genaues Mittel zur Ermittlung der Dichte eines Erdgases vor. Durch Anwendung linearer Progressionsanalyse auf Gleichung (2) und unabhängig abgeleitete Dichtemeßwerte wird eine spezire Formel zufisch Bestimmung der Dichte von Erdgas erhalten:
• p = 4,3077 + 0,22937(102/n)³ (4) - 0,012094kt1 - 2,2881(kt2/kt1)
• wobei:
• p = Gasdichte
• n = Gasviskosität
• kt1 - Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur t1 und
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur t2.
• Wie angemerkt, wurde die quantitative Bestimmung der prozentualen Konzentration von Inertgas herkömmlicherweise mit aufwendigen, teuren und arbeitsintensiven Mitteln bewerkstelligt, wie beispielsweise Gaschromatographiegeräten. Die genaue Bestimmung von Inertgasen wie Stickstoff N&sub2;, Kohlendioxid CO&sub2; und Sauerstoff O&sub2; in Brennstoffgas und insbesondere in Erdgas ist wichtig, weil diese Gase den Heizwert des Brennstoffgases reduzieren, eine Erhöhung der Pump-/Transportkosten pro Gasenergieeinheit bewirken und die Erlöse des Lieferanten pro Gaseinheitsvolumen reduzieren etc. Durch ausgiebiges Experimentieren und Testen wurden die untenstehenden Gleichungen (5)-(7) als bevorzugte spezielle Formen der Formel (2) für verschiedene Kombinationen von Inertgasen in Erdgas identifiziert. Die Konstanten und Exponenten wurden wiederum durch Anwendung linearer Progressionsanalyse auf unabhängig gemessene Ergebnisse ermittelt.
• XN2+O2+CO2 = 288,69 - 23,818/n³ (5) - 0,59575kt1 - 173,65(kt2/kt1)
• XN2+O2 = 464,65 + 9,8185/n³ - 0,42180kt1 (6) - 356,18 (kt2/kc1)
• HCO2 = -175,96 - 33,636/n³ - 0,17395kt1 (7) + 182,52(kt2/kt1)
• wobei:
• XN2+O2+CO2 = % -Konzentration von N&sub2;, O&sub2; und CO&sub2; im Brennstoffgas,
• XN2+O2 = % -Konzentration von N&sub2; und O&sub2; im Brennstoffgas,
• XCO2 = % -Konzentration von O&sub2; im Brennstoffgas,
• n = Brennstoffgasviskosität,
• kt1 - Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer ersten Temperatur t1 und
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Gases bei einer zweiten Temperatur t2.
• Wie oben kurz angemerkt wurde, bilden die spezifische Wärme und die optische Absorption zwei zusätzliche, ohne weiteres meßbare Brennstoffgaseigenschaften, die zu Formel (2) hinzugefügt werden können, z. B. um die Genauigkeit der resultierenden Berechnungen zu verbessern oder um die eine oder andere der Variablen Viskosität und Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen. Ein verallgemeinerter Ausdruck des entdeckten. Algorithmus ist Gleichung (1) oben. Tabelle I listet einige spezielle Algorithmen zur Berechnung von Heizwerten von Erdgas, die aus Formel (1) abgeleitet wurden, und ihre gemessenen Genauigkeitsgrade auf. Die Formeln von Tabelle I werden nur als verschiedene mögliche Parameterkombinationen gemäß der hier beschriebenen Erfindung veranschaulichend betrachtet. Aus der vorliegenden Beschreibung können durch einen Fachmann ohne weiteres andere spezifische Formeln zur Bestimmung von Heizwerten, Dichten und/oder prozentualen Konzentrationen von Inertgasen hergeleitet werden. Die angefügten Verfahrens- und Anordnungsansprüche sind für jede derartige Formel einer aus Gleichung (1) abgeleiteten Form durchführbar.
• Zusätzlich zum obigen hat die Anmelderin entdeckt, daß ein weiterer bevorzugter Ausdruck zur Bestimmung des Wärmeinhalts eines Erdgases lautet:
• Hc = -1287,7 + 808.700Cp0,73846 (8) - 1.048.800k-1,742 - 0,00090189(Mn)1,7514
• wobei:
• Cp = spezifische Wärme des Brennstoffgases;
• k = Gaswärmeleitfähigkeit;
• Mn = (Molekulargewicht des Gases)(Viskosität des Gases).
• Der Term Molekulargewicht mal Viskosität, Mn, oder sein alternativer Ausdruck Dichte (p) mal Viskosität, pn, kann unter Verwendung einer Kombination verfügbarer Techniken ermittelt werden. Diese Größe wird jedoch vorzugsweise mit dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung bestimmt, die in einer ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Titel "Multiple Gas Property Sensor", Seriennr. 07/781.770 (zur weiteren Erläuterung siehe unten) beschrieben sind. TABELLE I
• Wobei:
• x = Multiplikation
• Hc = Wärmeinhalt des Brennstoffgases
• Kt1 = Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei Temperatur t&sub1;
• kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei Temperatur t&sub2;
• cP = spezifische Wärme des Brennstoffgases
• A = optische Absorption des Brennstoffgases
• n = Viskosität des Brennstoffgases Die Ausführungsvorrichtung der Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen 2-8 beschrieben.
• Zunächst Bezug auf Fig. 2 nehmend, ist eine bauliche Implementierung einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Ein Brennstoffgas, wie beispielsweise Erdgas, strömt in einer Hauptgasleitung 30 in Richtung der Pfeile 32. Eine sekundäre Gaseinlaßröhre 34 ist zum Abzweigen eines Teils des Gasstroms zu einer Sensorkammer 36 vorgesehen. Das abgezweigte Gas wird aus der Kammer 36 über eine Gasauslaßleitung 38 in die Hauptleitung 30 zurückgeführt, die stromab von der Sensorkammer 36 eine Verbindung zur Leitung 30 herstellt. Eine Verengung 40 innerhalb der Hauptleitung 30 erzeugt einen Druckunterschied, der einen Teil des Gastroms durch die Sensorkammer 36 drückt. Die radialen Abmessungen für die Leitung 30 und für die Ein- und Auslaßröhren 34 und 38 können variieren, als Beispiel aber besitzt die Hauptleitung 30 typischerweise einen Durchmesser von ein bis drei Zoll, während die Röhren 34 & 38 einen Durchmesser von annähernd einem Viertel Zoll besitzen.
• Wie gezeigt, befindet sich Kammer 36 oberhalb der Hauptleitung 30, wodurch Kondensationeffekte in der Kammer minimiert werden. Die Sensorkammer 36 umfaßt vorzugsweise einen Metallblock, in den das Einlaßrohr 34 hinführt und aus dem sich das Auslaßrohr 38 erstreckt. In dem Block befindet sich ein Luftströmungssensor 42, ein erster Drucksensor 44 und eine Mehrzahl von Sensoren 46, 48, 50 und 52 die in der dargestellten Ausführungsform durch mehrere strömungsblockierende Abschirmungen 54 von der Gasströmung getrennt sind, so daß in dem Bereich 56 der Kammer 36 neben den Sensoren Strömungseinwirkungen von im wesentlichen Null angetroffen werden. Wie unten erläutert, umfassen die Sensoren 46, 48, 50 und 52 vorzugsweise Mikrosensoren wegen ihrer relativ geringen Kosten und ihrer hohen Genauigkeit. Da diese Sensoren jedoch strömungsempfindlich sind, sind Abschirmungen 54 nötig, um einen Bereich 56 minimaler Strömung zu schaffen.
• Die z. B. aus feinem Drahtgitter gefertigten Abschirmungen 54 sind dafür ausgelegt, eine mikroskopische Gasströmung zum Bereich 56 zu verhindern. Es wird eine Mehrzahl von Abschirmungen verwendet, um sicherzustellen, daß Brennstoffgas zum Bereich 56 im wesentlichen nur diffundiert. In der Kammer 36 ist unterhalb der Abschirmungen 54 ein bestimmtes Ausmaß an Turbulenzen vorhanden. Die Sensoren 46, 48, 50 und 52 sind über Leitungen 60, die elektrisch voneinander isoliert sind, um Kurzschlüsse zu verhindern, elektrisch mit einer Analogschaltungsplatine 58 verbunden. Die Leitungen 60 dienen dazu, das Innere der Sensorkammer 36 mit der Außenseite der Kammer zu verbinden. Vorzugsweise umgibt eine (nicht gezeigte) Isolierung die Kammer 36, um die Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur darin zu erleichtern.
• Bei einer Ausführungsform umfaßt Sensor 46 einen Drucksensor, Sensor 48 einen Temperatursensor, Sensor 50 einen Wärmeleitfähigkeitssensor und Sensor 52 einen Viskositätssensor. Die Sensoren 50 & 52 liefern allgemein die Informationen, die zur Berechnung von Heizwert, Dichte oder Prozentgehalt an Inertgasen, z. B. unter Verwendung von Formel (2), erforderlich sind, während die Sensoren 44, 46 & 48 auf wohlbekannte Weise eine Korrektur der erfaßten Wärmeleitfähigkeits- und Viskositätswerte für Druck- und Temperatureinflüsse erlauben. Bei einer unten beschriebenen alternativen Ausführungsform ist nur ein Sensor, z. B. Sensor 48 erforderlich, um die zur Bestimmung von Heizwert, Dichte und/oder Prozentgehalt an Inertgasen notwendigen Parameter (d. h. Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme) zu erhalten.
• Die Strömungssensorschaltung 62 ist dafür vorgesehen, die bei 42 erfaßte Strömung in digital lesbare Signale umzuwandeln. Der Sensor 42 und die zugehörige Schaltung 62 werden als für die Implementierung der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt notwendig betrachtet. Der Digitalprozessor 64 besteht aus einer handelsüblichen Zentralprozessoreinheit oder einem Mikrocomputer. Sobald die geeignete Ermittlung von Heizwert, Dichte und/oder Prozentgehalt von Inertgasen unter Verwendung einer der obigen Formeln ausgeführt wurde, wird das Ermittlungsergebnis an die Kommunikationsschnittstelle 66 ausgegeben, die Anzeigemittel 68 und Speichermittel 70 beinhaltet, die in der Lage sind, ermittelte Werte zum Betrachten und/oder Speichern für die nachfolgende Verwendung zur Verfügung zu stellen. Falls es erwünscht ist, wird über Leitung 72 ein Regulier-/Steuersignal ausgegeben.
• Die Analogschaltungsplatine 58 ist ausführlicher in Fig. 3 dargestellt.
• Wie gezeigt, beinhaltet die Schaltung 58 Drucksensorschaltungen 78 & 80, Gastemperatursensorschaltungen 82, Leiterplattentemperatursensorschaltungen 84, Wärmeleitfähigkeits-Mikrobrückensensorschaltungen 86 und ihren Mikrobrückentreiber 90 und Viskositätssensorschaltungen 88. Jede Sensorschaltung ist elektrisch mit dem geeigneten Sensor und mit einem Analog/Digital-Wandler 92 verbunden. Aus dem Wandler 92 fließen Signale zu dem Prozessor 64 (Fig. 2).
• Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Drucksensorschaltungen 78 mit Sensor 44 verbunden, und die Drucksensorschaltungen 89 sind mit Sensor 46 verbunden. Schaltungen 78 & 80 und Sensoren 44 & 46 umfassen jeweils einen beliebigen handelsüblichen Drucksensor, wie beispielsweise den von Honeywell Inc. in Bloomington, Minnesota, hergestellten und unter der Modell-Nr. ST3000 vermarkteten. Die Temperatursensorschaltungen 82 & 84 umfassen auf gleiche Weise eine beliebige bekannte Widerstandstemperaturmeßvorrichtung, wie beispielsweise eine Wheatstone-Brückenkonfiguration, in der eine Änderung in dem Widerstandszweig, der der unbekannten Temperatur ausgesetzt ist, ein zur Temperatur proportionales Ungleichgewicht erzeugt. Die Schaltungen 84 sind mit einem Sensor 85 verbunden, der auf der Analogschaltungsplatine 58 positioniert ist. Die Schaltungen 78, 80, 82 & 84 und ihre zugehörigen Sensoren sind notwendig, um Nichtlinearitäten von Sensor und Schaltung und den Einfluß elektronischer Temperaturänderungen, z. B. auf resultierende Messungen der Wärmeleitfähigkeit und der Viskosität zu berücksichtigen. Tatsächliche Messungen können von einem Fachmann auch aus gemessenen Gastemperatur- und Druckwerten in entsprechende Werte bei Standardtemperatur und -druck umgewandelt werden.
• Wie oben angemerkt, gibt es zahlreiche Techniken zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit (und spezifischen Wärme) des Brennstoffgases, die als Sensorschaltungen 86 implementiert werden könnten. Die Anmelderin glaubt jedoch, daß eine zu bevorzugende Methode in dem kürzlich ausgegebenen Patent mit dem Titel "Measurement of Thermal Conductivity and Specific Heat", US-Patent Nr. 4,944,035 in seiner gesamtheit beschrieben ist, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Dieser Ansatz wird nun unter Bezug auf Fig. 4(a)-8 ausführlich beschrieben.
• Hinsichtlich der Messung der Wärmeleitfähigkeit in Fluiden sind verschiedene Arten von Detektoren verwendet worden. Diese umfassen Sensoren von der Art der Widerstandsbrücken. Eine solche Vorrichtung ist in dem US-Patent 4,735,082 beschrieben, in dem die Wärmeleitfähigkeit unter Verwendung einer Wheatstone- Brückentechnik ermittelt wird, bei der ein Filament in einer Diagonalen der Brücke in einem Hohlraum plaziert oder positioniert wird, durch den das interessierende Probengas geleitet wird. Das Filament wird dazu verwendet, durch Variieren der Eingangsspannung in das interessierende Fluid eine Reihe von Wärmeenergiemengen wechselnder Höhe einzubringen, die ihrerseits an der anderen Diagonale als Spannungsdifferenzsignale gemessen werden. Eine Integration der Änderungen des Wertes des sukzessiven Stroms von Signalen ergibt ein Signal, das die Wärmeableitung durch das Fluid und damit die Wärmeleitfähigkeit des Fluids anzeigt.
• Hinsichtlich der Messung thermisch induzierter Schwankungen des elektrischen Widerstandes, die weiter unten ausführlich erläutert werden, wurden kürzlich weiterhin sehr kleine und sehr genaue "Mikrobrücken" - Halbleiterchipsensoren beschrieben, bei denen geätzte Halbleiter-"Mikrobrücken" als Zustands- oder Strömungssensoren verwendet werden. Derartige Sensoren können zum Beispiel ein Paar Dünnschichtsensoren um ein Dünnschichtheizelement beinhalten. Halbleiterchipsensoren der beschriebenen Klasse werden ausführlicher in einem oder mehreren Patenten, wie beispielsweise den US-Patenten Nr. 4,478,076, 4,478,077, 4,501,144, 4,651,564 und 4,683,159, beschrieben.
• Es ist jedoch offensichtlich, daß es oft notwendig war, die Messung der spezifischen Wärme cp und der Wärmeleitfähigkeit eines interessierenden Fluids mit separaten und gesonderten Vorrichtungen vorzunehmen. Dies ist nicht nur ziemlich teuer, sondern hat auch andere Nachteile. Die Notwendigkeit für separate Instrumente zur Ermittlung der spezifischen Wärme und der Wärmeleitfähigkeit kann zum Beispiel nicht die Konsistenz und Genauigkeit von Daten ermöglichen, die für eine brauchbare Charakterisierung des Fluidprozeßstroms (Gas oder Flüssigkeit) benötigt wird. Außerdem kann der erforderliche Korrelationsgrad nicht vorhanden sein. Da die Ermittlung des Wärmeinhalts, wie sie hier ins Auge gefaßt ist, von beiden Messungen abhängt, siehe z. B. Gleichung (8) und Tabelle I, gewinnt dies sogar noch an Bedeutung.
• Die angesprochene Anmeldung überwindet die vielen Nachteile bei der Ermittlung sowohl der spezifischen Wärme cp als auch der Wärmeleitfähigkeit k durch das Bereitstellen einfacher Techniken, die eine genaue Bestimmung beider Eigenschaften in einer interessierenden Probe unter Verwendung eines einzelnen Meßsystems gestatten. Der Ansatz zicht das Erzeugen eines Energie- oder Temperaturimpulses in einem oder mehreren Heizelementen in Erwägung, die in dem interessierenden Fluidmedium (Gas oder Flüssigkeit) angeordnet und eng damit gekoppelt sind. Charakteristische Werte von k und cp für das interessierende Fluid bewirken dann entsprechende Schwankungen des zeitlich veränderlichen Temperaturansprechverhaltens des Heizelements auf den Impuls. Unter vergleichweise statischen Probenströmungsbedingungen induziert dies wiederum entsprechende Schwankungen des zeitlich veränderlichen Ansprechverhaltens eines oder mehrerer temperaturempfindlicher Sensoren, die mit dem Heizelement vor allem über das interessierende Fluidmedium gekoppelt sind.
• Der Wärmeimpuls einer Quelle muß nur von ausreichender Dauer sein, damit das Heizelement für eine kurze Zeit eine im wesentlichen stabile Temperatur erreicht. Dieser Impuls erzeugt sowohl stabile als auch Einschwingzustände am Sensor. Die Wärmeleitfähigkeit k und die spezifische Wärme cp können bei dem gleichen gemessenen Wärmeimpuls gemessen werden, indem das stabile Temperaturplateau dazu verwendet wird, k zu ermitteln, das dann zusammen mit der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur in dem Einschwingzustand dazu verwendet wird, cp zu ermitteln. Beide Werte liefern dann die Eingangsinformation für die Ermittlung des Wärmeinhalts, der Dichte oder der prozentualen Konzentration von Inertgasen.
• Der Mikrobrücken-Halbleiterchipsensor, der z. B. bei bestimmten, für die Implementierung des Wärmeleitfähigkeitssensors bevorzugten Ausführungsformen ins Auge gefaßt wird, kann in der Form einem oder mehreren der Mikrobrückensysteme ähneln, die in den oben angeführten Patenten dargestellt sind. Ein derartiges System wird durch die in dem Patent Nr. 4,501,144 bereitgestellten Figuren beispielhaft dargestellt. Für ein besseres Verständnis der folgenden Erläuterung sollte das dieses Patent herangezogen werden. Obschon die vorliegende Erläuterung für den erforderlichen Umfang als ausreichend erachtet wird, soll zusätzliches Material, das in den genannten, Mikrobrücken betreffenden Patenten enthalten ist, als durch Bezugnahme hierin aufgenommen gelten.
• Nunmehr Bezug auf die Implementierung des Wärmeleitfähigkeitsensors nehmend, zeigen die Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) drei geringfügig verschiedene Ausführungsformen oder Konfigurationen, die hinsichtlich Zahl und Anordnung der Heizelemente und Sensoren, die bei dieser Bauform verwendet werden können, repräsentativ sind. In Fig. 4(a) werden alle Elemente 122, 124 und 126 als Heizelemente verwendet. Fig. 4(b) ist eine Ausführungsform, bei der das Dünnschichtelement 126 als Heizelement agiert und die Elemente 122 und 124 als Sensoren agieren. Die Ausführungsform der Fig. 4(c) stellt die bevorzugte Anordnung dar, bei der das Element 122 als Heizelement und das Element 124 als Sensor agiert. Der effektive Spalt, und damit die Wärmeisolation zwischen Heizelement und Sensor, ist bei der Ausführungsform der Fig. 4(c) erwünschtermaßen breiter.
• Bei der Implementierung des bevorzugten Wärmeleitfähigkeitsensors der Anmelderin wird besonders darauf geachtet, (1) spezifische Temperaturmarken in dem Sensor zu setzen, um die Zeitdauern zu ermitteln, die zum Erreichen der entsprechenden Temperaturänderungen erforderlich sind, (2) Temperatursensoren zu verwenden, die physisch von dem Heizelement getrennt sind, so daß der direkte Einfluß des Heizelements und der Wärme, die auf anderem Wege zu dem Sensor geleitet wird als über das interessierende Fluid, reduziert ist, und (3) einen Puls zu verwenden, der zumindest ein momentanes stabiles Plateau erreicht, um k zu ermitteln, das dann mit der Einschwingmessung verwendet wird, um cp zu ermitteln.
• Fig. 5 stellt graphisch einen elektrischen Rechteckwellen-Energieimpuls 130 für das Heizelement 126 dar, der quasi von dem Heizelement abgegebene Rechteckwellen-Wärmeimpulse ergibt. Diese wiederum ergeben beim Sensor Ansprechkurven wie bei 131, 132 und 133, die sich wie unte+n beschrieben ändern. Der an das Heizelement angelegte Impuls kann zum Beispiel eine Höhe von etwa 4 Volt bei einer Impulsbreite von 100 ms haben. Da das Heizelement durch das Fluidmedium eng mit den Sensoren gekoppelt ist, ähnelt die Kurven familie 131, 132 und 133 der Form des Eingangsimpulses 130. Sie zeigen das Wärmeansprechverhalten in den Sensoren 122 und 124. Die Kurven beinhalten allgemein am Beginn und am Ende liegende Einschwingabschnitte, die einen relativ stabilen Mittelabschnitt flankieren. Das schnelle Ansprechen des Sensors gestattet sogar bei einem Impuls von 100 ms die Existenz eines relativ langen stabilen Zustands. Natürlich sind die Kurven von Faktoren wie dem Druck und der Temperatur beeinflußt, da diese die effektive Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärme des speziellen interessierenden Fluids beeinflussen.
• Wärme, die von dem Heizelement oder den Heizelementen zum Sensorelement oder den Sensorelementen fließt, wird sowohl durch das Fluid als auch durch das feste Trägersubstrat des Halbleiterelements oder dergleichen geleitet. Hinsichtlich der Messung von k und cp des interessierenden Fluids ist es vorteilhaft, daß die den Sensor durch die festen Verbindungen erreichende Wärmemenge minimiert wird, so daß im wesentlichen der ganze gemessene Wärmeeffekt durch das interessierende Fluid erzeugt wird.
• Hinsichtlich der. Wärmeübertragung auf den (die) Sensor(en) werden einige Hintergrundinformationen betreffs der Ausbreitung von Wärme- oder Temperaturwellen vorgestellt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v einer eindimensionalen Welle ist (falls sie ein exponentielles Zerfallsprofil zeigt) konstant und durch folgenden Ausdruck gegeben:
• v = DT/α = (DT/b)0,5 (9)
• wobei:
• α = exponentielle Zerfallskonstante,
• b = Anstiegszeitkonstante an einem festen Ort, und
• DT = Wärmediffusionskoeffizient.
• Eine komplette Liste der Nomenklatur und der Indizes ist zusammen mit Einheiten in Tabelle 11 unten angegeben. DT steht mit k und cp durch folgenden Ausdruck in Beziehung:
• DT = k/cp (10)
• DT kann daher, falls er bekannt ist, der Schlüssel zum Erhalt von cp sein. Die Anstiegszeitkonstante b wurde zu etwa 4 ms gemessen. Für typische Gase reicht DT von 1,7 cm²/s für He bis zu 0,054 cm²/s für C&sub3;H&sub8;. Metalle zeigen hohe Werte wie 1,7, 1,1 und 0,18 cm²/s für Ag, Cu beziehungsweise Fe. Isolatoren liegen jedoch noch niedriger als die Gase mit 0,004 cm²/s für Glas und 0,0068 cm²/s für Si&sub3;N&sub4;, das, wie oben erläutert, ein guter Isolator ist. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v in einer typischen Gasprobe beträgt dann etwa (1/0, 004)0,5 = 15 cm/s. Dies ist mit (0,0068/0,004)0,5= 1,3 cm/s für Si&sub3;N&sub4; zu vergleichen, unter der Annahme, daß die gleiche Anstiegszeitkonstante von etwa 4 ms sowohl für die in Si&sub3;N&sub4; gemessene als auch für die tatsächliche in dem Gas gilt.
• Der Effekt hieraus ist, daß der Einfluß der Temperaturwelle, die sich von einem Dünnfilmstreifen, das heißt dem Heizelement, zu einem zweiten Dünnfilmstreifen, dem Sensor, ausbreitet, die beide in einer Membran aus Si&sub3;N&sub4; eingebettet sind, da es den Beitrag des Wärmestroms durch das feste Medium reduziert. Dies ist für die Genauigkeit des Systems von Nutzen.
• Typische Mikrobrückenausführungsformen sind in den Fig. 4(a)-4(c) dargestellt. Sie werden nun ausführlicher erklärt werden.
• Die Konfiguration der Fig. 4(a) beinhaltet die Verwendung des gleichen Mikrowiderstands 122, 124, 126 für den Wärmeimpuls und die Messaufgabe. Bei dieser Ausführungsform kann das Heiz-/Sensorwiderstandselement ein Zweig einer herkömmlichen Wheatstone- Widerstandsbrücke in einer Steuerschaltung sein. TABELLE II - NOMENKLATUR TABELLE 11 - NOMENKLATUR (Fortsetzung)
• Indizes
• c Leitung
• s Mikrobrücke oder Feststoff
• g Gas
• o Raum-, Referenz- oder Gastemperatur ohne Mikrobrückenheizung
• h Heizelement oder heiß
• m mittel oder Medium
• t1-t1 n, A, k oder cp bei verschiedenen Temperaturen
• Fig. 4(b) zeigt eine Anordnung, bei der die mittlere Mikrowiderstandsstruktur 126 als Heizelement verwendet wird, das von zwei symmetrisch angeordneten äußeren Meßwiderstandselementen 122 und 126 flankiert wird. Die Elemente 122 und 124 sind von dem Heizelement 126 durch eine schmale Lücke getrennt.
• Fig. 4(c) zeigt eine Ausführungsformkonfiguration, bei der das linke Element der Brücke 122 als Heizelement und das rechte Element 124 als Sensor verwendet wird. Diese Ausführungsform benutzt die vergleichsweise große mittlere Lücke, um eine verbesserte Wärmeisolation zwischen dem Heizelement und dem Sensor zu erzielen.
• Fig. 6 zeigt eine modifizierte Steuerschaltung, die den mittleren Mikrowiderstand 126 als Heizelement einsetzt, während die Meßaufgabe durch die zwei Widerstände 122 und 124 ausgeführt wird. Die duale Heizelement-Sensor-Konfiguration entspricht der Fig. 4(b) und die Schaltung ist für eine typische Sensor/Meßschaltung repräsentativ. Fig. 6 beinhaltet einen Zeitgeber 140, der elektrische Rechteckwellenimpulse an das Heizelement 126 liefert. Das Heizelement koppelt den Wärmeimpuls an die Sensoren 122 und 124 in der Brücke 142. Der Ausgang der Brücke ist durch einen Verstärker 143 an ein Paar Komparatoren 144 und 145 angeschlossen, die die "Start"- und "Stop"- Eingänge eines Zählers 146 betätigen, der 10 MHz Taktsignale zählt. Der Zählerstand mißt das Zeitintervall (t2-t1) zwischen den Temperaturen T2 und T1, das in Fig. 5 veranschaulicht ist.
• Fig. 7 ist Fig. 6 ähnlich, aber detaillierter. Die Brückenkonfiguration ist die Heizelement- Zwischenraum-Sensor-Konfiguration von Fig. 4(c). Der Sensorwiderstandsarm der Mikrobrücke ist in eine Wheatstone-Brücke 150 bei 124 eingesetzt. Einem weiteren in der Nähe liegenden Widerstandsarm 122 wird ein Spannungsimpuls aus einem Impulsgenerator 151 zugeführt, um in das Mikrobrückenelement 126 einen Wärmepuls einzubringen. Die Wheatstone-Brücke 150 kann auch einen einen Nullabgleich bewirkenden Abgleichswiderstand 152 enthalten, der dazu verwendet werden kann, die Vorrichtung anfangs auf Null abzugleichen. Der Mikrobrückenwiderstandssensor 124 in der Wheatstone-Brücke empfängt den Wärmeimpuls aus dem Heizelement 122 hauptsächlich durch Wärmeleitung über das umgebende Fluid. Eine gewisse Übertragung tritt natürlich durch das feste Mikrobrückensubstrat und die Umgebung auf.
• Die Schaltungen von Fig. 7 sind üblich und können hinsichtlich ihrer Funktionsweise betreffs der Verarbeitung des Brückenausgangssignals ohne weiteres erklärt werden. Die Spannungsausgangssignale der Brücke 150 werden durch die Differenzverstärker 153 und 154 in einem Differenzverstärkerabschnitt verstärkt. Das Ungleichgewichtssignal wird von einem Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor bei 155 weiter verstärkt. Das Signal bei 156 hat die Form eines Gleichspannungssignals U, dessen Amplitude nur in Beziehung zur Wärmeleitfähigkeit des interessierenden Fluids steht.
• Der Rest der Schaltungen von Fig. 7 umfaßt einen Gleichspannungspegel-Klemmverstärker 157 und einen Trennverstärker 158. Die temperaturhöhe- und zeitbezogenen Schalt- und Zählschaltungen umfassen Komparatoren 159 und 160 zusammen mit NAND-Gattern 161 und 162, die Ausgängen haben, die wie in Fig. 6 mit der (nicht gezeigten) Zähler-Zeitgebervorrichtung verbunden sind. Durch Messen der Zeit, die die Sensortemperatur benötigt, um zwischen zwei oder mehreren bekannten Temperaturwerten oder Markierungen anzusteigen oder abzufallen, die durch Sensorwiderstands- oder Brückenspannungsausgangssignale repräsentiert werden, wird ein Maß erhalten, das in Beziehung zu der spezifischen - Wärme cp pro Einheitsvolumen des interessierenden Fluids steht. Die Zeitgebervorrichtung kann ein herkömmlicher 10-MHz- Zähler oder dergleichen sein. Dies ist wiederum in Fig. 5 schematisch dargestellt.
• Das Ausgangssignal aus der Wheatstone-Brücke U stellt das Spannungsungleichgewicht dar, das durch die Temperaturänderung in dem Mikrobrückensensor oder den -sensoren bewirkt wird, die durch die entsprechende Heizelementimpulsabgabe hervorgerufen wird. Weil die Größe dieses Ungleichgewichts direkt zu der von dem Sensor oder den Sensoren absorbierten Energiemenge in Beziehung steht, steht die Amplitude des Signals direkt mit der Wärmeleitfähigkeit k des leitenden Mediums auf eine im folgenden erklärte Weise in Beziehung.
• Fig. 5 zeigt, daß während eines wesentlichen Teils der etwa 100 ms langen Impulsperiode die Temperatur des Sensors einen konstanten Wert erreicht und beibehält. Während dieser Zeit ist der Einfluß der Energiesenken- oder Energiequellenterme, die durch die spezifische Wärme wiedergegeben werden, Null, was bedeutet, daß nur die Wärmeleitfähigkeit den Wert der Sensortemperatur bestimmt.
• Der Literaturwert der Wärmeleitfähigkeit mehrerer Gase wurde mit der gemessenen Sensortemperatur verglichen, die direkt in Form des gemessenen Wheatstone-Brücken- und Abgleichspotentials U ausgedrückt wurde. Diese Beziehung wurde empirisch für eine Mikrobrücke der in Fig. 4(c) dargestellten Art hergeleitet, indem die Methode der kleinsten Quadrate in einer Mehrfachregressionsanalyse verwendet wurde, um die beste Fitkurve zu erhalten. Diese Beziehung kann über eine einfache, für den Zweck des Sensors ausreichende Spanne linearisiert werden. Andere Kombinationskonfigurationen von Heizelement/Sensor- Ausführungsformen können ebenso unter Verwendung bekannter Gase oder von Gasen mit bekanntem k kalibriert werden. So wurde unter Verwendung eines käuflichen Strömungssensors der Art von Fig. 4(c) in der Schaltung von Fig. 7 ein Impuls von 4 Volt mit einer Dauer von 100 ms verwendet.
• Dies ergab eine annähernd lineare Beziehung zwischen U und kg der Form:
• kg = a&sub4;U + a&sub5; (10a)
• Die lineare Approximation gilt über eine Spanne, die genügt, um genaue Messungen zu liefern. Ähnliche Beziehungen können unter anderen Meßbedingungen, einschließlich zusätzlicher Druckkorrekturterme, hergeleitet werden.
• Als nächstes werden weitere Einzelheiten in Bezug auf die Koeffizienten für den Algorithmus zur Berechnung von cP beschrieben. Diese Ermittlung erfordert, daß das Meßsystem zuerst kalibriert wird; dies besteht darin, die Koeffizienten a&sub1;, a&sub2; und a&sub3; des Algorithmus zur Berechnung von cp zu ermitteln.
• Unter der Annahme eines zweidimensionalen Modells für den Wärmeübergang in der Mikrobrücke (siehe Fig. 4(a)-4(c)) kann das gemessene Ansprechverhalten der Sensortemperatur unter Bezug auf die folgenden Vorgänge (bei einem Gasstrom von Null) beschrieben werden:
• 1) Wärmeabgabe durch den Heizelementfilm;
• 2) Temperaturzunahme in dem Heizelementmaterial (FeNi oder Pt) und dem umgebenden Trägermaterial (Isolator Si&sub3;N&sub9;), d. h. innerhalb des Brückenmaterials;
• 3) Übertrag zu dem Sensor über a) das Brückenmaterial und b) die die Brücke umgebende Fluidphase;
• 4) Temperaturzunahme in dem Sensormaterial (wie in dem Heizelementmaterial bei Punkt 2 oben) und dem es umgebenden Gas durch die über die obigen Vorgänge ankommende Wärme;
• 5) Erreichen einer stabilen Temperaturverteilung;
• und
• 6) der zu den Schritten 1-5 umgekehrte Vorgang während des Beginns der Periode mit ausgeschaltetem Heizelement.
• Wenn aus Gründen der Einfachheit außerdem angenommen wird, daß die spezifischen Wärmen der betroffenen gasförmigen und festen Materialien nicht von der Temperatur abhängen, kann man die obigen Vorgänge unter Verwendung der gleichen Vorgangsnumerierung wie oben durch die folgenden Ausdrücke beschreiben (Zeichenerklärung siehe Tabelle 11 oben):
• 1) Q = V²/Ro(1+α(Th-To)) für kleine Temperaturanstiege.
• 2) Die Heizelementtemperatur ergibt sich aus dem Gleichsetzen der Wärmezufluß- und -abflußraten: Th-To = Q/(kSBs/Ls + kgBg/Lq) mit Q in Watt; die Temperatur Th stellt sich in einer Zeit ein, die kurz ist im Vergleich zu der Zeit, die es dauert, den Sensor zu erreichen, wenn der Sensor nicht mit dem Heizelement identisch ist, wie bei den Konfigurationen 4(b) und 4(c).
• 3) In einem echten eindimensionalen Fall erreicht die meiste abgegebene Energie Q letztlich den Sensor, da sie nur zwei gangbare Wege hat (Richtungen +x und - x). In einem zwei- (oder sogar drei-) dimensionalen Fall wird ein Großteil von Q in y- und z- Richtung verteilt, so daß nur ein Teil Qc zum Sensor geleitet wird, mit einem entsprechenden Abfall der ursprünglichen Temperatur Th auf eine Zwischentemperatur Tm. Der Sensor erfährt dann eine Energiezuflußrate von
• Qc = (Tm - To) ksBs/LS + kqBq/Lq) (11)
• 4) Die Anstiegsgeschwindigkeit der Sensortemperatur wird durch die spezifische Wärme des den Sensor umgebenden Gases und des eng angekoppelten Sensormaterials selber bestimmt, so daß:
• Qc = (dT/dt) cpsVs + (dT/dt)cpqVq (12) Es ist aus Gleichung (12) ohne weiteres offensichtlich, daß cpg für ein unbekanntes Gas ermittelt werden könnte, wenn die verschiedenen, in die Gleichungen (11) und (12) eingehenden Größen entweder bekannt oder meßbar wären. Es stellte sich jedoch heraus, daß selbst wenn nur dt, dT, To, P und kg geeignet meßbar sind, die anderen Größen durch Kalibrierung ermittelt werden können. Dies kann wie folgt geschehen:
• Zur Kalibrierung werden Gase bekannter (aber vorzugsweise nicht notwendigerweise reiner) Zusammensetzung, und daher bekannter spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit bei dem verwendeten Druck und der Temperatur (die beide auch gemessen werden), in Kontakt mit dem Sensor gebracht. Die Wirkung der gepulsten Wärmeabgabe wird in Form der verstrichenen Zeit t2-t1 aufgezeichnet, wie beschrieben wurde. Nach dem Aufzeichen von Ergebnissen für verschiedene Gase, Drücke, Heizelementtemperaturen und/oder Heiz-/ Kühlperioden bei Impulsen mit konstanter Temperatur, Spannung, Strom oder Leistung werden die aufgezeichneten Zeit- und Zustandsdaten in ein Array von Datenkanälen eingegeben, die zur automatischen oder computergestützten Datenverarbeitung oder für andere Zahlenverarbeitungstechniken verwendet werden können.
• Das Verfahren kann mit Hilfe der Gleichungen (11) und (12) im Sinne eines Beispiels veranschaulicht werden, ohne dadurch andere, ähnliche Ausätze auszuschließen, die für einen Fachmann der numerischen Analyse naheliegen. In diesem Sinne, empfangen die folgenden Kanäle Daten oder Eingaben für verschiedene Gase, Drücke (und Temperaturen):
• Kanäle: Y X1 X2
• Eingaben: CpgP/Po (t2-t1)kg t2-t1
• Ein bekanntes und erhältliches Programm zur mehrfachen linearen Regressionsanalyse (MLRA, siehe Fig. 8) kann die linearen Koeffizienten a&sub1;, a&sub2; und a&sub3; (z. B. durch Matrixinversion) ermitteln, die zusammen mit den obigen eingegebenen Daten den kalibrierten, aus den Gleichungen (11) und (12) abgeleiteten Ausdruck ergeben, um die spezifische Wärme cP zu berechnen:
• P/Po = a&sub1;(t&sub2; - t&sub1;)kg + a&sub2;(t&sub2;-t&sub1;) - a&sub3; (13)
• Die ermittelten (Kalibrierungs-) Koeffizienten stellen natürlich die zusammengefaßten Faktoren mehrerer Sensoreigenschaften oder -zustände aus den Gleichungen (13) und (14) dar:
• a&sub1; = (Tm - To)(Bg/Lg)(VgdT)
• a&sub2; = (Tm - To)(Bg/Lg)(VgdT)ks (14)
• a&sub3; = cpsVs/Vg
• Um die Unterschiede in Tm am Sensorort zu minimieren, wird aus konstanter Temperatur, Spannung, Strom oder Leistung die vorteilhafteste Betriebsweise gewählt. Das obige Verfahren wird auf der Basis von 1) konstanten Spannungsimpulsen, die zu von dem Heizelement abgegebenen, Quasi- Rechteckwellen- Wärmeimpulsen führen, und 2) Änderungen der Gasart (CH&sub4;, C&sub2;H&sub6;, Luft und O&sub2;) und des Drucks demonstriert; die gewählte Konfiguration war 4(b).
• Die Daten für dt = t2 - t1 und den Druck wurden für jedes der verwendeten Gase erhalten, für die die cp- und k-Werte aus der zugänglichen Literatur erhalten werden können. Diese Beziehung wird durch Anwendung der Methode der kleinsten Quadrate in einer mehrfachen linearen Regressionsanalyse linearisiert, um die beste Fitlinie zu erhalten. Nach Eingabe dieser Daten in die obigen Kanäle Y, X1 und X2 wurde das Regressionsanalyseprogramm durchgeführt. Das erhaltene Resultat für eine Konfiguration wie in Fig. 4(b) war:
• a&sub1; = -16509, a&sub2; = 3,5184 und a&sub3; = 0,005392 (15)
• Der abschließende Schritt bei der Anwendung dieses Kalibrierungsverfahrens beinhaltet bekannte Mittel zum Speichern, Schreiben oder Einbrennen der erhaltenen, zugeschnittenen Werte von a&sub1;, a&sub2; und a&sub3; für die individuelle Mikrobrücke, die eine Honeywell MICRO- SWITCH Modell-Nr. AWM-2100 V sein kann, in den Speicher, der damit verknüpft ist. Der Mikrosensor ist dann zur Verwendung bereit, um die spezifische Wärme unbekannter Gase zu messen, vorausgesetzt, daß P und k zur Zeit der Messung bekannt sind.
• Fig. 8 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Messung von cp und k. Das System umfaßt die durch 170 angegebenen Signalverarbeitungsschaltungen, eine Einheit 171 zur mehrfachen linearen Regressionsanalyse (MLRA) zum Herleiten der bekannten Gleichungskonstanten für die verwendete spezielle Mikrobrückenkonfiguration und -schaltung, d. h. a&sub1; - an, eine Datenbank 172 zum Speichern der Kalibrierungsdaten cp und k und eine Ausgabeschnittstelleneinheit 173.
• Hinsichtlich der Ausführungsform von Fig. 8 kann vor dem Einsatz eine Rekalibrierung vor Ort einfach durch Eingeben der Werte des Testgases für P, cp und k in die Datenbank bewerkstelligt werden. Falls P nicht unabhängig von dem bereits in dem betreffenden System vorhandenen Sensor gemessen werden kann, können seine Fehler als Korrektur in die cp- und k-Kalibrierung integriert werden. Die gemessenen Werte von U und dt werden dann wie im Messungsmodus dazu verwendet, die Sensorwerte von k und cp zu ermitteln. Falls sie nicht mit den eingegebenen Werten übereinstimmen, können die Konstanten a&sub3; und a&sub5; modifiziert werden, um zu den eingegebenen oder verzeichneten Werten zu passen.
• Diese Methode kann für die Verwendung vor Ort praktisch sein, sollte aber durch Verwendung eines zweiten Testgases geprüft werden. Falls dies übereinstimmt, kann die Rekalibrierung abgeschlossen werden. Falls nicht, sollte eine komplette Kalibrierung aller Koeffizienten a&sub1;-a&sub5; durchgeführt werden.
• Es sollte erwähnt werden, daß in der ganzen obigen Erläuterung der Einfluß der Temperatur aus Gründen der Einfachheit nicht erwähnt wurde. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß die Temperatur sowohl cp als auch k beeinflußt, aber auf folgende Weise berücksichtigt werden kann:
• 1) durch Regelung (teuer und energieverbrauchend), oder
• 2) durch Kompensation mit speziellen temperaturempfindlichen Elementen im Analogteil der Schaltung oder
• 3) durch Eingabe in den Sensoralgorithmus als zusätzlicher Parameter, der gemessen wird, z. B. durch Überwachen eines der vielen temperaturabhängigen Widerstände des Sensors. Dies ist der bevorzugte Ansatz für Meßsysteme, die einer maximalen Genauigkeit bedürfen.
• Hinsichtlich der Verwendung des Instruments von Fig. 8 werden die für ein unbekanntes Gas erhaltenen Signale für U und dt = t2 - t1 (und P) auf folgende Weise verarbeitet:
• 1) Berechnung von k aus Ausdruck (3) unter Verwendung der Koeffizienten a&sub4; und a&sub5;, die in dem Speicher des Sensors nach der Kalibrierung gespeichert (eingebrannt) wurden, und
• 2) Berechnung von cp aus Ausdruck (6). Es sollte auch beachtet werden, daß als Grundbestandteil auch ein Drucksignal benötigt wird, da cp hier in Beziehung zu einem Gasvolumen verwendet wird, anstatt zu k, das im großen und ganzen druckunabhängig ist, wenn der Sensor bei oder über Atmosphärendruck verwendet wird, bei dem die mittlere freie Weglänge des Gases im Vergleich zu den charakteristischen Abmessungen des betroffenen Sensors klein ist.
• Wie oben angemerkt, umfaßt der gerade beschriebene Mikrosensor für Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme die von der Anmelderin bevorzugte Anordnung zum Erhalt der Messungen. Die beigefügten Ansprüche sollten jedoch nicht so eng gelesen werden, sondern sollten stattdessen so gelesen werden, daß sie jedes bekannte Mittel zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit von Gas und der spezifischen Wärme von Gas umfassen.
• Es wird nun zu Fig. 3 zurückgegangen; wie oben angemerkt wurde, sind in der zugänglichen Literatur mehrere Techniken zur Ermittlung der Viskosität von Brennstoffgas bekannt. Schaltungen 88 und Sensor 52 könnten zum Beispiel als eine Anordnung der Gasstromkapillarart ausgeführt werden. (Der Sensor 52 müßte jedoch von dem Bereich 56 zu einer Umgebung mit strömendem Gas in der Kammer 36 verschoben werden.) Vorzugsweise wird der neue Ansatz, der in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung WO 93/08466, veröffentlicht am 29.10.93, entsprechend der EP 0 609 388 B1 und mit dem Titel "Multiple Gas Property Sensor" beschrieben ist, verwendet, um die Viskosität des Brennstoffgases zu ermitteln. Kurz beschrieben, verwendet dieser Ansatz die Änderung der Frequenz und die Änderung des Reihenwiderstandes eines Kristallresonators, der in dem Brennstoffgas positioniert ist, um sowohl den Druck als auch den kombinierten Term Molekulargewicht multipliziert mit Viskosität (oder alternativ Dichte multipliziert mit Viskosität) zu bestimmen. Durch Verwendung dieses Ansatzes könnten Sensorschaltungen 80 und Sensor 46 weggelassen werden, da das in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung beschriebene Verfahren einen absoluten Druckmeßwert erzeugt, der zur Korrektur der gemessenen Viskosität und des Molekulargewichts verwendet wird. Für ein umfassenderes Verständnis dieses Ansatzes sollten diese Unterlagen herangezogen werden.
• Obwohl die Erfindung hier ausführlich entsprechend bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können von Fachleuten viele Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden. Dementsprechend sollen alle derartigen Modifikationen und Änderungen durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt werden, die zum Schutzumfang der Erfindung gehören, wie er durch die Ansprüche definiert wird.

Claims (14)

1. Elektronisches Gerät zur verbrennungslosen Bestimmung der Qualität gasförmigen Brennstoffs, der einer Gasverbrauchsvorrichtung zugeführt wird, mit:

a) einer Sensorkammer (36) mit einer Mehrzahl von Sensoren (46, 48, 50, 52) darin,

b) Mitteln (34) zum Leiten zumindest eine s Teilgasstroms eines Brennstoffgases durch die Sensorkammer (36), so daß das Gas Kontakt mit der Mehrzahl von Sensoren hat,

c) ersten Mitteln (82, 84, 86, 88) zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren, wobei das erste elektrische Signal repräsentativ für einen ersten Gasparameter aus einer ersten Gruppe von Gasparametern ist, die die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme, die Viskosität und die optische Absorption des Brennstoffgases umfaßt,

d) zweite Mittel (82, 84, 86, 88) zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren, wobei das zweite elektrische Signal repräsentativ für einen zweiten anderen Gasparameter aus der ersten Gruppe von Gasparametern ist,

e) einem Computer (64) und Mitteln (92) zum Übertragen des ersten und des zweiten elektrischen Signals zu einem Computer (64), und wobei

f) der Computer (64) periodisch Signale erzeugt und die ersten und zweiten erzeugten elektrischen Signale verwendet, um den Wärmeinhalt, die Dichte und den Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases zu berechnen, jeweils gemäß folgender Formel:

u = ao±b&sub1;xm1±c&sub1;yP1

wobei u = Wärmeinhalt, Dichte oder Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases,

a&sub0;, b&sub1;, c&sub1; = Konstanten, m1, p1 = Exponenten,

x = das für den ersten Gasparameter repräsentative Signal, und

y = das für den zweiten Gasparameter repräsentative Signal.

2. Gerät gemäß Anspruch 1, außerdem mit: Anzeigemitteln (68) und/oder Aufzeichnungsmitteln (70) und Mitteln zum Übertragen des vom Computer erzeugten Signals zu den Anzeige- und/oder Aufzeichnungsmitteln.

3. Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Gasparameter bei einer ersten Temperatur erfaßt werden, gekennzeichnet durch:

a) Mittel (122, 124, 126) zum Modifizieren der Temperatur von zumindest einem aus der Mehrzahl von Sensoren (46, 48, 50, 52),

b) dritte Mittel (82, 84, 86, 88) zu Erzeugen eines dritten elektrischen Signals, das für den zweiten Gasparameter bei der zweiten Temperatur repräsentativ ist,

c) Mittel (95) zum Leiten des dritten elektrischen Signals zu dem Computer (64), und wobei

d) die signalerzeugenden Computermittel Mittel zum Verwenden der ersten, zweiten und dritten elektrischen Signale beinhalten, um den Wärmeinhalt, die Dichte und den Prozentgehalt von Inertgasen des Brennstoffgases gemäß folgender Formel zu bestimmen:

wobei:

u = Wärmeinhalt, Dichte oder prozentuale Konzentration von Inertgas des Brennstoffgases,

a&sub0;, b&sub1;, c&sub1;, c&sub2; = Konstanten,

m1, p1, p2 = Exponenten

xt1 = das für den ersten Brennstoffgasparameter bei Temperatur t1 repräsentative Signal,

Yt1 = das für den zweiten Brennstoffgasparameter bei der Temperatur t1 repräsentative Signal, und

Yt2 = das für den zweiten Brennstoffgasparameter bei der Temperatur t2 repräsentative Signal.

4. Gerät gemäß Anspruch 3, wobei in der Formel der signalerzeugenden Computermittel gilt:

xt1 = f(n)

yt1 = f1(kt1, kt2)

Yt2 = f2(kt1, kt2)

wobei:

n = Viskosität des Brennstoffgases

kt1 = Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei der ersten Temperatur

kt2 = Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei der ersten Temperatur

f(n) = Funktion der Brennstoffgasviskosität

f1(kt1, kt2) = erste Funktion der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei der ersten Temperatur t1 und der Wärmeleitfähigkeit bei der zweiten Temperatur t2 und

f2(kt1, kt2) = zweite Funktion der Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffgases bei der ersten Temperatur t1 und der Wärmeleitfähigkeit bei der zweiten Temperatur t2.

5. Gerät gemäß Anspruch 4, wobei in der Formel der signalerzeugenden Computermittel gilt:

f(n) = d&sub1;/n, d&sub1; = konstant,

f1(kt1, kt2) = kt1, und

f2(kt1, kt2) = kt2/kt1.

6. Gerät gemäß Anspruch 5, wobei das Brennstoffgas Erdgas enthält und die ersten, zweiten und dritten erzeugten elektrischen Signale von den signalerzeugenden Computermitteln als Maß für den Wärmeinhalt des Gases verwendet werden und wobei.

ao 3643,53

b&sub1; 1050,71

d&sub1; 102

m1 = 3

c&sub1; 7,60221

p1 = 1

c&sub2; 2294,2

p2 = 1.

7. Gerät gemäß Anspruch 5, wobei das Brennstoffgas Erdgas enthält und die ersten, zweiten und dritten erzeugten elektrischen Signale von den signalerzeugenden Computermitteln als Maß für die prozentuale Konzentration von Inertgasen in dem Gas verwendet werden, die Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid umfassen, und wobei:

ao 288,69

p1 23,818

d1 102

m1 = 3

c&sub1; -0,59575

p&sub1; = 1

c&sub2; 173,65

p2 = 1

8. Gerät gemäß Anspruch 5, wobei das Brennstoffgas Erdgas enthält und die ersten, zweiten und dritten erzeugten elektrischen Signale von den signalerzeugenden Computermitteln als Maß für die prozentuale Konzentration von Stickstoff und Sauerstoff in dem Gas verwendet werden und wobei:

ao 464,65

b&sub1; 9,8185

d&sub1; 102

m1 = 3

c&sub1; -0,42180

p&sub1; = 1

c&sub2; 356,18

p&sub2; = 1

9. Gerät gemäß Anspruch 5, wobei das Brennstoffgas Erdgas enthält und die ersten, zweiten und dritten erzeugten elektrischen Signale von den signalerzeugenden Computermitteln als Maß für die prozentuale Konzentration von Kohlendioxid in dem Gas verwendet werden und wobei:

ao 175,96

b&sub1; 33,636

d&sub1; 102

m1 = 3

c&sub1; -0,1739

p&sub1; = 1

c&sub2; 182,52

p&sub2; = 1

10. Gerät gemäß Anspruch 1 oder 2, außerdem mit:

a) dritten Mitteln (82, 84, 86, 88) zum Erzeugen eines dritten elektrischen Signals an einem aus der Mehrzahl von Sensoren, wobei das dritte elektrische Signal repräsentativ für einen dritten Gasparameter ist, der von den ersten und zweiten Gasparametern verschieden ist,

b) Mitteln zum Leiten des dritten elektrischen Signals zu den Computermitteln (64), wobei:

die signalerzeugenden Computermittel eine Formel der Form

u = ao+b&sub1;xm1+c&sub1;yP1+d&sub1;zg1

verwenden, wobei:

u = Wärmeinhalt, Dichte oder prozentuale Konzentration von Inertgasen des Brennstoffgases,

a&sub0;, b&sub1;, c&sub1;, d&sub1; = Konstanten,

m1, p1, q1 = Exponenten,

x = das für den ersten Brennstoffgasparameter repräsentative Signal,

y = das für den zweiten Brennstoffgasparameter repräsentative Signal,

z = das für den dritten Brennstoffgasparameter repräsentative Signal.

11. Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zumindest einer der Sensoren (42, 44, 46, 48, 50, 52) ein Mikrosensor ist und das Gerät außerdem ein Mittel (54) umfaßt, um einen den Mikrosensor innerhalb der Kammer (56) umgebenden Gasstrom zu erhalten, der im wesentlichen Null ist.

12. Gerät gemäß Anspruch 11, wobei das Mittel zum Erhalten eines Gasstroms, der im wesentlichen Null ist, zumindest eine strömungsbegrenzende Abschirmung (54) umfaßt, die in der Sensorkammer (56) zwischen dem Sensor (46, 48, 50, 52) und dem Gaseinlaß (34) zu und dem Gasauslaß (38) aus der Kammer angeordnet ist.

13. Gerät gemäß Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten ein elektrisches Signal erzeugenden Mittel zumindest einen Luftmassenstromsensor (42) verwenden.

14. Gerät gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die ersten und zweiten ein elektrisches Signal erzeugenden Mittel zumindest einen Mikrobrückensensor verwenden.