EP3152525A1 - Method for determining the volumetric flow rate of a fluid medium through a measuring section and associated measuring device - Google Patents

Method for determining the volumetric flow rate of a fluid medium through a measuring section and associated measuring device

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EP3152525A1
EP3152525A1 EP15725992.0A EP15725992A EP3152525A1 EP 3152525 A1 EP3152525 A1 EP 3152525A1 EP 15725992 A EP15725992 A EP 15725992A EP 3152525 A1 EP3152525 A1 EP 3152525A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature sensor
heating element
temperature
time
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15725992.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Sosna
Ulf Hammerschmidt
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Diehl Metering GmbH
Original Assignee
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Diehl Metering GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Diehl Metering GmbH filed Critical Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Publication of EP3152525A1 publication Critical patent/EP3152525A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7084—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using thermal detecting arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/7044—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using thermal tracers
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the volume flow of a flowing medium through a measuring section.
  • the determination of a volume flow of a flowing medium is essential for many technical applications. In particular, depending on a volume flow measured in this way, a price for a quantity of gas withdrawn can be determined.
  • the disadvantage here is that in known (in particular thermal) method for determining a volume flow, the volume flow determination is dependent on gas parameters of the flowing medium. If a corresponding method is to be used for an always the same gas type or a substantially constant gas composition, the gas parameters can be taken into account by once calibrating a used measuring section to the corresponding medium. However, such a procedure leads to significant measurement errors in the determination of the volume flow, if the nature or the composition of the flowing medium changes.
  • the publication DE 10 2012 019 657 B3 proposes to take into account the influence of gas parameters by measuring a temperature profile of the medium at two distances from a heat source at which the medium is pulsed, after which a maximum value of the temperature profile at the first distance and a ximalwert the temperature profile in the second distance a thermal transport size, in particular a thermal conductivity, is determined. A flow rate is then determined as a function of the determined thermal transport size.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method with which an accurate determination of a volume flow is possible even without a preceding determination of medium-specific gas parameters.
  • the volume flow can be determined in particular from a flow velocity and a known geometry of the measuring section, which is in particular a measuring channel through which the medium flows in a laminar manner.
  • the control of the heating element, the detection of the data of the first and the second temperature sensor, the determination of the time difference and the determination of the volume flow are effected in particular by a control device associated with the measuring section.
  • the time difference between the first and the second time point can be taken into account as the only measured variable in the determination of the volume flow. All other variables taken into account, for example the dimensions of the measuring channel and the distances between the heating element and the temperature sensors, can be determined in advance of the start of the method be stored the controller and be determined regardless of the nature of the flowing medium.
  • the heating element may be a wire which runs substantially perpendicular to the main flow direction of the medium in the measuring section.
  • the heating element could also be a substantially punctiform heating element, ie a heating element with a very small heating surface.
  • the pulse-shaped heating can take place in particular by heating times of the heating element of a few 100 ps.
  • the controller may provide current pulses that are supplied to the heating element for heating.
  • a first temperature sensor can be used which is less than 100 ⁇ m, preferably between 15 ⁇ m and 50 ⁇ m, in particular between 20 ⁇ m and 30 ⁇ m, away from the heating element.
  • the temperature profile at this temperature sensor is essentially independent of the flow velocity of the flowing medium and thus of the volume flow and depends almost exclusively on the type or composition of the flowing medium, ie the type of gas or the composition of a gas mixture.
  • the temperature profile at the second temperature sensor depends both on the flow velocity of the flowing medium and on the type or composition of the flowing medium . According to the invention, use is made of the fact that the time difference between the first and the second time in this case is essentially independent of gas species. When determining the volume flow from this time difference so no further parameters of the flowing medium must be considered.
  • a predetermined calibration curve can be used.
  • a predetermined calibration curve for determining the flow velocity from the time difference and known dimensions of the measurement path for the subsequent determination of the volume flow from the flow velocity can be used.
  • the calibration curve can depend exclusively on the properties of the measuring section and not on the properties of the flowing medium. It is thus possible to use the same calibration curve independent of gas type.
  • a calibration curve may in particular be implemented as a value table which is stored in the control device. It is possible that for a time difference, the is between two points of the value table, an interpolation of the adjacent values is done, the next neighbor is selected or the like.
  • a common calibration curve will be used for gases with different thermal diffusivity.
  • a gas mixture can be used as the medium, with a common calibration curve being used for gas mixtures with different water content fractions.
  • a common calibration curve for several different gases and / or gas mixtures is used.
  • a common calibration curve can be used for all gases and gas mixtures.
  • a gas parameter can be determined as a function of the time interval between the time of heating and the detected first time.
  • the determination of the gas parameter can be independent of other
  • a further gas parameter can be determined depending on the temperature measurement value at the temperature maximum of the first temperature sensor and the temperature value at the temperature maximum of the second temperature sensor.
  • the further gas parameter can be determined in particular independently of further measured values.
  • the further gas parameter can additionally be determined as a function of a gas parameter determined from the time interval between the time of heating and the detected first time or as a function of the time interval itself.
  • a thermal conductivity can be determined as a further gas parameter. If both a gas parameter and a further gas parameter are determined as explained, in particular a clear determination of a gas or a composition of a gas mixture is possible that forms the flowing medium.
  • the invention relates to a measuring device for determining a volume flow of a gas, comprising a measuring section with a heating element, a first adjacent to the heating element upstream or downstream adjacent first temperature sensor and a second downstream of the heating element arranged second temperature sensor, the second temperature sensor further from the heating element is spaced as the first temperature sensor, and wherein the measuring device for Implementation of the method according to the invention is formed.
  • the measuring device may comprise a control device which is designed to control energization of the heating element, to detect the temperature values of the temperature sensors and to process the measured data.
  • the distance between the heating element and the first temperature sensor in the measuring device according to the invention is less than 100 ⁇ , preferably between 15 ⁇ m and 50 ⁇ , in particular between 20 ⁇ and 30 ⁇ .
  • the distance between the first and the second temperature sensor may be at least 100 ⁇ m, preferably between 150 ⁇ m and 550 ⁇ m, in particular between 150 ⁇ m and 350 ⁇ m.
  • the distance between the first and the second temperature sensor can also be between 200 mm and 400 mm, but also greater than 500 mm.
  • the distance between the heating element and the first temperature sensor and between the first and the second temperature sensor is achieved that the time at which a temperature maximum is detected at the first temperature sensor is substantially independent of a flow rate or a volume flow of the medium and the second time at which a temperature maximum occurs at the second temperature sensor has a significant dependence on the flow velocity or of the volume flow of the medium.
  • the first temperature sensor and the second temperature sensor may preferably be formed by wires or thin-film films exposed through the measurement channel.
  • the wires or thin-film films may extend in this case, in particular without an underlying substrate via a recess in a substrate or between two substrates.
  • a film of a conductive material having a thickness of a few micrometers or a thickness of less than one micrometer can be used as the thin-film film.
  • a thin-film film may be a few hundred nanometers thick.
  • a wire preferably a wire with a diameter of less than 10 m can be used.
  • the heating element may be formed as a wire or thin film, which is arranged on a membrane or exposed by the measuring channel.
  • the heating element and / or the first and / or the second temperature sensor may be formed from metal, a metallic alloy or a semiconductor material.
  • the semiconductor material may include in particular silicon.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of a measuring device according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of the measuring device shown in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 5 schematically shows a diagram of the relationship between a volume flow and the time interval between the time of heating and the detected first time for three different flowing media
  • Fig. 6 shows schematically the relationship between the flow and the
  • Fig. 7 shows schematically the relationship between the volume flow and the
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a measuring device 1 for determining a gas-volume-independent volume flow of a flowing medium.
  • 1 shows a schematic Representation from above
  • Fig. 2 is a perspective view of the measuring device 1.
  • a flowing medium 2 which is shown schematically in Fig. 1 and 2 as arrows, flows through the measuring section of the measuring device 1.
  • the flowing medium 2 is in a measuring channel, not shown , which is formed by a tube having a substantially rectangular cross-section, guided in a laminar manner.
  • the flowing medium 2 sweeps over a heating element 4, a first temperature sensor 5 arranged downstream of the heating element 4 and a second temperature sensor 6 spaced apart from the heating element 4 by a greater distance than the first temperature sensor 5.
  • the heating element 4 and the temperature sensors 5, 6 are here Wires formed, which extend between two substrates 3 exposed through the measuring channel.
  • the temperature sensors 5, 6 and the heating element 4 are here Wires formed, which extend between two substrates 3 exposed through the measuring channel.
  • the heating element 4 and the first temperature sensor 5 are arranged in a distance indicated by the double arrow 7 of less than 50 pm from each other.
  • the distance between the second temperature sensor 6 and the heating element 4, which is indicated by the arrow 8, is significantly greater than the distance to the first temperature sensor 5 and the heating element, namely z. B. 450 pm.
  • a control device To measure a volume flow, a control device, not shown, energizes the heating element 4 with time-spaced current pulses, whereby the temperature at the heating element 4 is raised almost pulse-shaped for a short period of time of less than 00 ps.
  • the control device By the control device, the time profiles of the temperatures at the first temperature sensor 5 and the second temperature sensor 6 are detected after each heat pulse. Due to the small distance of the temperature sensor 5 from the heating element 4, the temporal temperature profile at the temperature sensor 5 is almost independent of the flow velocity or the volume flow of the flowing medium 2. Since the second temperature sensor 6 is significantly further away from the heating element 4, the time course at the second temperature sensor 6 strongly influenced by the flow velocity of the flowing medium and thus by the volume flow. As explained in more detail below with reference to FIG.
  • step S1 a heating element 4 is energized by a control device 4 with a short current pulse of less than 100 ⁇ , whereby the temperature at the heating element changes almost in a pulse shape.
  • the temperature profile at the first temperature sensor 5 and in step S3 the temperature profile at the second temperature sensor 6 are detected by the control device simultaneously in step S2.
  • the change in the temperatures at the temperature sensors 5, 6 are on the one hand by processes that take place even in a stationary medium, for example, by diffusion, on the other by the movement of the flowing medium via the heating element 4 in the direction of the second temperature sensor 6 influenced
  • the temperature profile at the heating element 4 and the measured values for the temperature sensor 5 and the temperature sensor 6 detected by the control device are shown schematically in FIG. 4 for a flow velocity of a flowing medium.
  • the solid line shows the pulse-like temperature change at the heating element 4.
  • the dashed line shows the measured temperature profile at the first temperature sensor 5 and the dot-dash line the temperature profile at the second temperature sensor 6. It is between the temperature profile at the heating element 4, the temperature profile at the first temperature sensor 5 and the temperature profile at the second temperature sensor 6 to detect each a reduction in the maximum detected temperature and a broadening of the temperature maximum.
  • FIG. 5 shows the relationship between a volume flow and a time interval between the time of heating and the detected first time for three different gases.
  • the measured values for nitrogen are shown as diamonds, the measured values for methane as crosses and the measured values for another natural gas as circles. It can be seen that the time interval between the time of heating and the first detected time is substantially independent of the volume flow of the gas.
  • step S5 a second point in time is determined at which the temperature profile at the second temperature sensor 6, that is to say, for example, the dot-dash line in FIG. 4, has a maximum.
  • Fig. 6 shows the time intervals between the time of heating and the second time, again for the three different gases shown in Fig. 5. It can be seen that the time difference shown in Fig. 6 depends primarily on the volume flow of the gases, but the time intervals depending on the gas have a deviation of up to about 20% with the same volume flow. A determination of the volume flow with a common calibration curve for the gas species shown would thus lead to relatively large measurement errors.
  • step S6 the time difference between the first and second times is calculated. This corresponds to subtracting the measured values shown in FIG. 5 from the measured values shown in FIG. The result of this calculation is again shown in Fig. 7 for the three gases and for different volume flows. The time differences for the different gases are almost identical for each volume flow. Therefore, in step S7, a common calibration curve can be used which depends exclusively on properties of the measuring device 1 and the surrounding measuring channel and which is stored in the control device in order to convert the time difference calculated in step S6 into a volume flow.
  • a second calibration curve stored in the control device is used to determine a first gas parameter, namely a value from the time interval between the time of heating and the first detected time determined in step S4 Thermal conductivity to determine.
  • a first gas parameter namely a value from the time interval between the time of heating and the first detected time determined in step S4 Thermal conductivity to determine.
  • step S9 the temperature value at the temperature maximum of the first temperature sensor, ie the maximum of the dashed curve in Fig. 4, and determined in step S10, the temperature value at the temperature maximum of the second temperature sensor 6, ie the maximum of the dotted line in Fig. 4.
  • a further gas parameter namely the thermal conductivity determined in step S1 1 and also determines which gas or which gas mixture forms the flowing medium.
  • multidimensional calibration curves or value tables can be used for this purpose.
  • a thermal conductivity from the temperature values calculated in steps S9 and S10 and to determine a type of gas or the composition of a gas mixture from the thermal conductivity determined in step S8 and the determined thermal conductivity.
  • a hydrogen content can be determined.

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Abstract

Disclosed is a method for determining the volumetric flow rate of a fluid medium through a measuring section in a substantially gas-type independent manner, said method comprising the following steps: pulsed heating of the medium by means of a heating element; recording a first time at which a maximum temperature occurs at a first temperature sensor lying upstream or downstream from, and adjacent to, the heating element; recording a second time at which a maximum temperature occurs at a second temperature sensor lying downstream of the heating element, wherein the second temperature sensor is located further away from the heat source than the first temperature sensor; calculating a time difference between the first and the second time; and determining the volumetric flow rate on the basis of the time difference.

Description

Verfahren zur Bestimmung des Volumenflusses eines strömenden Mediums durch eine Messstrecke und zugeordnete Messeinrichtung  Method for determining the volume flow of a flowing medium through a measuring section and associated measuring device
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Volumenflusses eines strömenden Mediums durch eine Messstrecke. The invention relates to a method for determining the volume flow of a flowing medium through a measuring section.
Die Bestimmung eines Volumenflusses eines strömenden Mediums ist für viele technische Anwendungen wesentlich. Insbesondere kann in Abhängigkeit eines derart gemessenen Volumenflusses ein Preis für eine bezogene Gasmenge bestimmt werden. Nachteilig ist dabei, dass in bekannten (insbesondere thermischen) Verfahren zur Bestimmung eines Volumenflusses die Volumenflussbestimmung abhängig von Gasparametern des strömenden Mediums ist. Soll ein entsprechendes Verfahren für einen stets gleichen Gastyp bzw. eine im Wesentlichen konstante Gaszusammensetzung genutzt werden, kann eine Berücksichtigung der Gasparameter dadurch erfolgen, dass eine genutzte Messstrecke einmal auf das entsprechende Medium kalibriert wird. Ein derartiges Vorgehen führt jedoch zu deutlichen Messfehlern bei der Bestimmung des Volumenflusses, falls sich die Art bzw. die Zusammensetzung des strömenden Mediums ändert. The determination of a volume flow of a flowing medium is essential for many technical applications. In particular, depending on a volume flow measured in this way, a price for a quantity of gas withdrawn can be determined. The disadvantage here is that in known (in particular thermal) method for determining a volume flow, the volume flow determination is dependent on gas parameters of the flowing medium. If a corresponding method is to be used for an always the same gas type or a substantially constant gas composition, the gas parameters can be taken into account by once calibrating a used measuring section to the corresponding medium. However, such a procedure leads to significant measurement errors in the determination of the volume flow, if the nature or the composition of the flowing medium changes.
Aus der Druckschrift US 5,347,876 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Volumenfluss durch ein thermisches time-of-flight-Prinzip ermittelt wird. Eine Kompensation des Einflusses der Gasparameter eines strömenden Mediums erfolgt dabei durch Messungen des Wärmetransports bei stehendem Gas. Ein entsprechendes Vorgehen ist nicht möglich, wenn sich die Zusammensetzung des strömenden Mediums im laufenden Betrieb ändern kann. From the document US 5,347,876 a method is known in which a volume flow is determined by a thermal time-of-flight principle. A compensation of the influence of the gas parameters of a flowing medium is carried out by measurements of the heat transfer when the gas is stationary. A corresponding procedure is not possible if the composition of the flowing medium can change during operation.
Die Druckschrift DE 10 2012 019 657 B3 schlägt vor, den Einfluss von Gasparametern zu berücksichtigen, indem ein Temperaturverlauf des Mediums in zwei Abständen von einer Wärmequelle, an der das Medium impulsförmig erwärmt wird, gemessen wird, wonach aus einem Maximalwert des Temperaturverlaufs im ersten Abstand und einem Ma- ximalwert des Temperaturverlaufs im zweiten Abstand eine thermische Transportgröße, insbesondere eine Temperaturleitfähigkeit, bestimmt wird. Eine Strömungsgeschwindigkeit wird anschließend in Abhängigkeit der bestimmten thermischen Transportgröße ermittelt. The publication DE 10 2012 019 657 B3 proposes to take into account the influence of gas parameters by measuring a temperature profile of the medium at two distances from a heat source at which the medium is pulsed, after which a maximum value of the temperature profile at the first distance and a ximalwert the temperature profile in the second distance a thermal transport size, in particular a thermal conductivity, is determined. A flow rate is then determined as a function of the determined thermal transport size.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch ohne eine vorangehende Bestimmung mediumspezifischer Gasparameter eine genaue Bestimmung eines Volumenflusses möglich ist. The invention is therefore based on the object of specifying a method with which an accurate determination of a volume flow is possible even without a preceding determination of medium-specific gas parameters.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei zu einer gasartenunabhängigen Bestimmung des Volumenflusses die folgenden Schritte durchgeführt werden: The object is achieved according to the invention by a method of the type mentioned above, wherein the following steps are carried out for determining the volume flow independently of gas species:
- impulsförmiges Erwärmen des Mediums durch ein Heizelement, Erfassen eines - vom Volumenfluss unabhängigen - ersten Zeitpunkts, zu dem ein Temperaturmaximum an einem ersten zum Heizelement stromaufwärts oder stromabwärts benachbart angeordneten ersten Temperatursensor auftritt,  pulse-shaped heating of the medium by a heating element, detection of a first time point independent of the volume flow, at which a maximum temperature occurs at a first temperature sensor arranged adjacent to the heating element upstream or downstream,
- Erfassen eines - vom Volumenfluss abhängigen - zweiten Zeitpunkts, zu dem ein Temperaturmaximum an einem zweiten stromabwärts von dem Heizelement angeordneten zweiten Temperatursensor auftritt, wobei der zweite Temperatursensor weiter von der Wärmequelle beabstandet ist, als der erste Temperatursensor,  Detecting a second time point dependent on the volume flow, at which a temperature maximum occurs at a second second temperature sensor arranged downstream of the heating element, the second temperature sensor being farther from the heat source than the first temperature sensor,
Ermitteln einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt, und  Determining a time difference between the first and second times, and
- Bestimmen des Volumenflusses in Abhängigkeit der Zeitdifferenz.  - Determining the volume flow as a function of the time difference.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Volumenfluss gasartenunabhängig in Abhängigkeit einer Zeitdifferenz zwischen zwei Zeitpunkten zu bestimmen, zu denen an zwei verschiedenen Temperatursensoren ein Temperaturmaximum ermittelt wurde. Der Volumenfluss kann dabei insbesondere aus einer Strömungsgeschwindigkeit und einer bekannten Geometrie der Messstrecke, die insbesondere ein Messkanal ist, der vom Medium laminar durchströmt wird, bestimmt werden. Die Steuerung des Heizelements, das Erfassen der Daten des ersten und des zweiten Temperatursensors, das Ermitteln der Zeitdifferenz und das Bestimmen des Volumenflusses erfolgen dabei insbesondere durch eine der Messstrecke zugeordnete Steuereinrichtung. Dabei kann die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt als einzige Messgröße bei der Bestimmung des Volumenflusses berücksichtigt werden. Alle anderen berücksichtigten Größen, beispielsweise die Abmessungen des Messkanals und die Abstände zwischen dem Heizelement und den Temperatursensoren, können bereits vor Beginn des Verfahrens in der Steuereinrichtung gespeichert sein und unabhängig von der Art des strömenden Mediums bestimmt sein. According to the invention, it is proposed to determine a volume flow independently of gas species as a function of a time difference between two times at which a temperature maximum was determined at two different temperature sensors. The volume flow can be determined in particular from a flow velocity and a known geometry of the measuring section, which is in particular a measuring channel through which the medium flows in a laminar manner. The control of the heating element, the detection of the data of the first and the second temperature sensor, the determination of the time difference and the determination of the volume flow are effected in particular by a control device associated with the measuring section. In this case, the time difference between the first and the second time point can be taken into account as the only measured variable in the determination of the volume flow. All other variables taken into account, for example the dimensions of the measuring channel and the distances between the heating element and the temperature sensors, can be determined in advance of the start of the method be stored the controller and be determined regardless of the nature of the flowing medium.
Das Heizelement kann ein Draht sein, der im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Mediums in der Messstrecke verläuft. Alternativ könnte das Heizelement auch ein im Wesentlichen punktförmiges Heizelement, also ein Heizelement mit einer sehr kleinen Heizfläche sein. Das impulsförmige Erwärmen kann insbesondere durch Heizzeiten des Heizelements von wenigen 100 ps erfolgen. Die Steuereinrichtung kann Strompulse bereitstellen, die dem Heizelement zur Beheizung zugeführt werden. The heating element may be a wire which runs substantially perpendicular to the main flow direction of the medium in the measuring section. Alternatively, the heating element could also be a substantially punctiform heating element, ie a heating element with a very small heating surface. The pulse-shaped heating can take place in particular by heating times of the heating element of a few 100 ps. The controller may provide current pulses that are supplied to the heating element for heating.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann ein erster Temperatursensor verwendet werden, der weniger als 100 pm, bevorzugt zwischen 15 pm und 50 pm, insbesondere zwischen 20 μιη und 30 pm, von dem Heizelement beabstandet ist. Durch die Verwendung eines sehr bzw. so nah am Heizelement angeordneten Temperatursensors ist der Temperaturverlauf an diesem Temperatursensor im Wesentlichen unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums und damit von dem Volumenfluss und hängt nahezu ausschließlich von der Art bzw. der Zusammensetzung des strömenden Mediums, also von der Gasart bzw. der Zusammensetzung eines Gasgemisches ab. Da der zweite Temperatursensor weiter von der Wärmequelle beabstandet ist, bevorzugt zwischen 100 pm und 500 μιη, beispielsweise 200 pm weit, ist der Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor sowohl von der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums als auch von der Art bzw. der Zusammensetzung des strömenden Mediums abhängig. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt in diesem Fall im Wesentlichen gasartenunabhängig ist. Bei Bestimmung des Volumenflusses aus dieser Zeitdifferenz müssen also keine weiteren Parameter des strömenden Mediums berücksichtigt werden. In the method according to the invention, a first temperature sensor can be used which is less than 100 μm, preferably between 15 μm and 50 μm, in particular between 20 μm and 30 μm, away from the heating element. By using a temperature sensor arranged very or so close to the heating element, the temperature profile at this temperature sensor is essentially independent of the flow velocity of the flowing medium and thus of the volume flow and depends almost exclusively on the type or composition of the flowing medium, ie the type of gas or the composition of a gas mixture. Since the second temperature sensor is further away from the heat source, preferably between 100 μm and 500 μm, for example 200 μm, the temperature profile at the second temperature sensor depends both on the flow velocity of the flowing medium and on the type or composition of the flowing medium , According to the invention, use is made of the fact that the time difference between the first and the second time in this case is essentially independent of gas species. When determining the volume flow from this time difference so no further parameters of the flowing medium must be considered.
Zur Bestimmung des Volumenflusses aus der Zeitdifferenz kann eine vorgegebene Kalibrierkurve verwendet werden. Alternativ können eine vorgegebene Kalibrierkurve zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus der Zeitdifferenz und bekannte Abmessungen der Messstrecke zur anschließenden Bestimmung des Volumenflusses aus der Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden. Die Kalibrierkurve kann dabei ausschließlich von Eigenschaften der Messstrecke und nicht von Eigenschaften des strömenden Mediums abhängig sein. Es ist also möglich, gasartenunabhängig die gleiche Kalibrierkurve zu nutzen. To determine the volume flow from the time difference, a predetermined calibration curve can be used. Alternatively, a predetermined calibration curve for determining the flow velocity from the time difference and known dimensions of the measurement path for the subsequent determination of the volume flow from the flow velocity can be used. The calibration curve can depend exclusively on the properties of the measuring section and not on the properties of the flowing medium. It is thus possible to use the same calibration curve independent of gas type.
Eine Kalibrierkurve kann insbesondere als Werttabelle implementiert sein, die in der Steuereinrichtung gespeichert ist. Dabei ist es möglich, dass für eine Zeitdifferenz, die zwischen zwei Punkten der Werttabelle liegt, eine Interpolation der benachbarten Werte erfolgt, der nächste Nachbar gewählt wird oder ähnliches. A calibration curve may in particular be implemented as a value table which is stored in the control device. It is possible that for a time difference, the is between two points of the value table, an interpolation of the adjacent values is done, the next neighbor is selected or the like.
Es ist möglich, dass eine gemeinsame Kalibrierkurve für Gase mit unterschiedlichen Temperaturleitfähigkeiten verwendet wird. Ergänzend oder alternativ kann als Medium ein Gasgemisch genutzt werden, wobei eine gemeinsame Kalibrierkurve für Gasgemische mit verschiedenen Wasserst off anteilen verwendet wird. Es ist auch möglich, dass eine gemeinsame Kalibrierkurve für mehrere verschiedene Gase und/oder Gasgemische genutzt wird. Insbesondere kann eine gemeinsame Kalibrierkurve für alle Gase und Gasgemische genutzt werden. It is possible that a common calibration curve will be used for gases with different thermal diffusivity. In addition or as an alternative, a gas mixture can be used as the medium, with a common calibration curve being used for gas mixtures with different water content fractions. It is also possible that a common calibration curve for several different gases and / or gas mixtures is used. In particular, a common calibration curve can be used for all gases and gas mixtures.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann in Abhängigkeit des Zeitabstandes zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt ein Gasparameter bestimmt werden. Die Bestimmung des Gasparameters kann unabhängig von weiteren esswerten erfolgen. Als Gasparameter kann insbesondere eine Temperaturleitfähigkeit des Mediums bestimmt werden. Ergänzend oder alternativ kann in Abhängigkeit des Zeitabstandes zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt zwischen zwei Gasarten unterschieden werden oder ein Anteil eines bestimmten Gases in einem Gasgemisch bestimmt werden. In the method according to the invention, a gas parameter can be determined as a function of the time interval between the time of heating and the detected first time. The determination of the gas parameter can be independent of other ess esswerten. As a gas parameter, in particular a temperature conductivity of the medium can be determined. Additionally or alternatively, depending on the time interval between the time of heating and the detected first time between two types of gas can be distinguished or a proportion of a particular gas in a gas mixture can be determined.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann in Abhängigkeit des Temperaturmesswertes am Temperaturmaximum des ersten Temperatursensors und des Temperaturwertes am Temperaturmaximum des zweiten Temperatursensors ein weiterer Gasparameter bestimmt werden. Dabei kann der weitere Gasparameter insbesondere unabhängig von weiteren Messwerten bestimmt werden. Alternativ kann der weitere Gasparameter zusätzlich in Abhängigkeit eines aus dem Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt bestimmten Gasparameters beziehungsweise in Abhängigkeit des Zeitabstands selbst bestimmt werden. Als weiterer Gasparameter kann insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit bestimmt werden. Werden sowohl ein Gasparameter als auch ein weiterer Gasparameter wie erläutert bestimmt, ist insbesondere eine eindeutige Bestimmung eines Gases beziehungsweise einer Zusammensetzung eines Gasgemisches möglich, das das strömende Medium bildet. In the method according to the invention, depending on the temperature measurement value at the temperature maximum of the first temperature sensor and the temperature value at the temperature maximum of the second temperature sensor, a further gas parameter can be determined. In this case, the further gas parameter can be determined in particular independently of further measured values. Alternatively, the further gas parameter can additionally be determined as a function of a gas parameter determined from the time interval between the time of heating and the detected first time or as a function of the time interval itself. In particular, a thermal conductivity can be determined as a further gas parameter. If both a gas parameter and a further gas parameter are determined as explained, in particular a clear determination of a gas or a composition of a gas mixture is possible that forms the flowing medium.
Daneben betrifft die Erfindung eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines Volumenstroms eines Gases, umfassend eine Messstrecke mit einem Heizelement, einem ersten zum Heizelement stromaufwärts oder stromabwärts benachbart angeordneten ersten Temperatursensor und einem zweiten stromabwärts von dem Heizelement angeordneten zweiten Temperatursensor, wobei der zweite Temperatursensor weiter von dem Heizelement beabstandet ist als der erste Temperatursensor, und wobei die Messeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Messeinrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen, die zur Steuerung einer Bestromung des Heizelements, zur Erfassung der Temperaturwerte der Temperatursensoren und zur Verarbeitung der Messdaten ausgebildet ist. In addition, the invention relates to a measuring device for determining a volume flow of a gas, comprising a measuring section with a heating element, a first adjacent to the heating element upstream or downstream adjacent first temperature sensor and a second downstream of the heating element arranged second temperature sensor, the second temperature sensor further from the heating element is spaced as the first temperature sensor, and wherein the measuring device for Implementation of the method according to the invention is formed. The measuring device may comprise a control device which is designed to control energization of the heating element, to detect the temperature values of the temperature sensors and to process the measured data.
Vorteilhaft ist der Abstand zwischen dem Heizelement und dem ersten Temperatursensor in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kleiner als 100 μηη, bevorzugt zwischen 15 Mm und 50 μηι, insbesondere zwischen 20 μιη und 30 μητι. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor kann wenigstens 100 Mm, bevorzugt zwischen 150 Mm und 550 Mm, insbesondere zwischen 150 Mm und 350 μητι betragen. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor kann auch zwischen 200 Mm und 400 M sein, jedoch auch größer als 500 Mm. Durch eine entsprechende Wahl des Abstands zwischen Heizelement und erstem Temperatursensor und zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor wird erreicht, dass der Zeitpunkt, zu dem ein Temperaturmaximum am ersten Temperatursensor erfasst wird, im Wesentlichen unabhängig von einer Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise einem Volumenfluss des Mediums ist und der zweite Zeitpunkt, zu dem ein Temperaturmaximum an dem zweiten Temperatursensor auftritt, eine deutliche Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise von dem Volumenfluss des Mediums aufweist. Advantageously, the distance between the heating element and the first temperature sensor in the measuring device according to the invention is less than 100 μηη, preferably between 15 μm and 50 μηι, in particular between 20 μιη and 30 μητι. The distance between the first and the second temperature sensor may be at least 100 μm, preferably between 150 μm and 550 μm, in particular between 150 μm and 350 μm. The distance between the first and the second temperature sensor can also be between 200 mm and 400 mm, but also greater than 500 mm. By an appropriate choice of the distance between the heating element and the first temperature sensor and between the first and the second temperature sensor is achieved that the time at which a temperature maximum is detected at the first temperature sensor is substantially independent of a flow rate or a volume flow of the medium and the second time at which a temperature maximum occurs at the second temperature sensor has a significant dependence on the flow velocity or of the volume flow of the medium.
Der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor können vorzugsweise durch freiliegend durch den Messkanal verlaufende Drähte oder Dünnschichtfilme gebildet sein. Die Drähte beziehungsweise Dünnschichtfilme können sich in diesem Fall insbesondere ohne ein darunter liegendes Substrat über eine Ausnehmung in einem Substrat oder zwischen zwei Substraten erstrecken. Alternativ ist es möglich, Drähte oder Dünnschichtfilme, die den ersten und den zweiten Temperatursensor ausbilden, gemeinsam auf einer dünnen Membran, die insbesondere aus einem elektrisch nicht leitenden Material mit geringer Temperaturleitfähigkeit gebildet ist, anzuordnen oder in eine solche Membran einzubetten. Durch die beschriebenen Möglichkeiten zur Ausbildung der Temperatursensoren wird insbesondere vermieden, dass ein Wärmetransport über ein Substrat zwischen dem Heizelement und dem ersten beziehungsweise dem zweiten Temperatursensor die Messung verfälscht. The first temperature sensor and the second temperature sensor may preferably be formed by wires or thin-film films exposed through the measurement channel. The wires or thin-film films may extend in this case, in particular without an underlying substrate via a recess in a substrate or between two substrates. Alternatively, it is possible to arrange wires or thin film films constituting the first and second temperature sensors together on a thin membrane formed of, in particular, an electrically nonconductive material of low thermal conductivity, or to embed in such a membrane. By the described possibilities for the formation of the temperature sensors is in particular avoided that a heat transfer via a substrate between the heating element and the first or the second temperature sensor falsifies the measurement.
Als Dünnschichtfilm kann insbesondere ein Film aus einem leitfähigen Material mit einer Dicke von wenigen Mikrometern beziehungsweise einer Dicke von weniger als einem Mikrometer genutzt werden. Insbesondere kann ein Dünnschichtfilm wenige 100 Nano- meter dick sein. Als Draht kann vorzugsweise ein Draht mit einem Durchmesser von weniger als 10 m genutzt werden. In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung kann ergänzend oder alternativ auch das Heizelement als Draht oder Dünnschichtfilm ausgebildet sein, der auf einer Membran angeordnet ist oder freiliegend durch den Messkanal verläuft. In particular, a film of a conductive material having a thickness of a few micrometers or a thickness of less than one micrometer can be used as the thin-film film. In particular, a thin-film film may be a few hundred nanometers thick. As a wire, preferably a wire with a diameter of less than 10 m can be used. In the measuring device according to the invention can Additionally or alternatively, the heating element may be formed as a wire or thin film, which is arranged on a membrane or exposed by the measuring channel.
Das Heizelement und/oder der erste und/oder der zweite Temperatursensor können aus Metall, einer metallischen Legierung oder einem Halbleitermaterial gebildet sein. Das Halbleitermaterial kann dabei insbesondere Silizium beinhalten. The heating element and / or the first and / or the second temperature sensor may be formed from metal, a metallic alloy or a semiconductor material. The semiconductor material may include in particular silicon.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and the accompanying drawings. Showing:
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung Fig. 1 shows schematically an embodiment of a measuring device according to the invention
Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 gezeigten Messeinrichtung, FIG. 2 schematically shows a perspective view of the measuring device shown in FIG. 1, FIG.
Fig. 3 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 schematically a flow chart of an embodiment of a method according to the invention,
Fig. 4 schematisch den zeitlichen Temperaturverlauf an dem Heizelement, dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor in dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, 4 schematically shows the temporal temperature profile at the heating element, the first temperature sensor and the second temperature sensor in the exemplary embodiment of the method according to the invention,
Fig. 5 schematisch ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen einem Volu- menfluss und dem Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt für drei verschiedene strömende Medien, 5 schematically shows a diagram of the relationship between a volume flow and the time interval between the time of heating and the detected first time for three different flowing media,
Fig. 6 schematisch den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und dem Fig. 6 shows schematically the relationship between the flow and the
Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem zweiten Zeitpunkt für die drei verschiedenen strömenden Medien, und  Time interval between the time of heating and the second time for the three different flowing media, and
Fig. 7 schematisch den Zusammenhang zwischen dem Volumenfluss und der Fig. 7 shows schematically the relationship between the volume flow and the
Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt für die drei verschiedenen strömenden Medien.  Time difference between the first and second times for the three different flowing media.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Messeinrichtung 1 zur Ermittlung eines gasartenunabhän- gigen Volumenflusses eines strömenden Mediums. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung von oben und Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Messeinrichtung 1. Ein strömendes Medium 2, das in Fig. 1 und 2 schematisch als Pfeile dargestellt ist, durchströmt die Messstrecke der Messeinrichtung 1. Das strömende Medium 2 wird dabei in einem nicht gezeigten Messkanal, der durch ein Rohr mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet ist, laminar geführt. Dabei überstreicht das strömende Medium 2 ein Heizelement 4, einen stromabwärts vom Heizelement 4 angeordneten ersten Temperatursensor 5 und einen mit einem größeren Abstand als der erste Temperatursensor 5 vom Heizelement 4 beabstandeten zweiten Temperatursensor 6. Das Heizelement 4 sowie die Temperatursensoren 5, 6 sind dabei als Drähte ausgebildet, die sich freiliegend zwischen zwei Substraten 3 durch den Messkanal erstrecken. In einer alternativen Ausführungsform der Messeinrichtung 1 wäre es auch möglich, die Temperatursensoren 5, 6 und das Heizelement 4 als Dünnschichtfilme auszubilden, die ebenfalls freiliegend durch den Messkanal verlaufen. Ebenso wäre es alternativ möglich, die Temperatursensoren 5, 6 und das Heizelement 4 als Drähte oder Dünnschichtfilme auf einer dünnen Membran aus einem Material mit geringer Temperaturleitfähigkeit anzuordnen. FIG. 1 and FIG. 2 show a measuring device 1 for determining a gas-volume-independent volume flow of a flowing medium. 1 shows a schematic Representation from above and Fig. 2 is a perspective view of the measuring device 1. A flowing medium 2, which is shown schematically in Fig. 1 and 2 as arrows, flows through the measuring section of the measuring device 1. The flowing medium 2 is in a measuring channel, not shown , which is formed by a tube having a substantially rectangular cross-section, guided in a laminar manner. The flowing medium 2 sweeps over a heating element 4, a first temperature sensor 5 arranged downstream of the heating element 4 and a second temperature sensor 6 spaced apart from the heating element 4 by a greater distance than the first temperature sensor 5. The heating element 4 and the temperature sensors 5, 6 are here Wires formed, which extend between two substrates 3 exposed through the measuring channel. In an alternative embodiment of the measuring device 1, it would also be possible to form the temperature sensors 5, 6 and the heating element 4 as thin-film films, which likewise extend through the measuring channel. Likewise, it would alternatively be possible to arrange the temperature sensors 5, 6 and the heating element 4 as wires or thin film on a thin membrane made of a material with low thermal conductivity.
Das Heizelement 4 und der erste Temperatursensor 5 sind in einem durch den Doppelpfeil 7 angezeigten Abstand von weniger als 50 pm voneinander angeordnet. Der Abstand zwischen dem zweiten Temperatursensor 6 und dem Heizelement 4, der durch den Pfeil 8 angezeigt ist, ist deutlich größer als der Abstand zu dem ersten Temperatursensor 5 und dem Heizelement, nämlich z. B. 450 pm. The heating element 4 and the first temperature sensor 5 are arranged in a distance indicated by the double arrow 7 of less than 50 pm from each other. The distance between the second temperature sensor 6 and the heating element 4, which is indicated by the arrow 8, is significantly greater than the distance to the first temperature sensor 5 and the heating element, namely z. B. 450 pm.
Zur Messung eines Volumenflusses bestromt eine nicht gezeigte Steuereinrichtung das Heizelement 4 mit zeitlich beabstandeten Strompulsen, wodurch die Temperatur am Heizelement 4 für einen kurzen Zeitraum von weniger als 00 ps nahezu impulsförmig angehoben wird. Durch die Steuereinrichtung werden nach jedem Heizimpuls die zeitlichen Verläufe der Temperaturen am ersten Temperatursensor 5 und am zweiten Temperatursensor 6 erfasst. Aufgrund des geringen Abstands des Temperatursensors 5 vom Heizelement 4 ist der zeitliche Temperaturverlauf am Temperatursensor 5 nahezu unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise dem Volumenfluss des strömenden Mediums 2. Da der zweite Temperatursensor 6 deutlich weiter vom Heizelement 4 beabstandet ist, ist der zeitliche Verlauf am zweiten Temperatursensor 6 stark durch die Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums und damit durch den Volumenfluss geprägt. Wie im Folgenden mit Bezug auf Fig. 3 noch genauer erläutert, ist es somit möglich, aus der Zeitdifferenz zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem am ersten Temperatursensor ein Temperaturmaximum auftritt und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem am zweiten Temperatursensor 6 ein Temperaturmaximum auftritt, den Volumenstrom des strömenden Mediums gasartenunabhängig zu bestimmen. Fig. 1 zeigt zusätzlich als strichpunktierte Linie 9 eine alternative Position für den ersten Temperatursensor 5. Da der erste Temperatursensor 5 sehr nahe am Heizelement 4 angeordnet ist, ist es unwesentlich, ob er gasstromaufwärts oder gasstromabwärts angeordnet ist. To measure a volume flow, a control device, not shown, energizes the heating element 4 with time-spaced current pulses, whereby the temperature at the heating element 4 is raised almost pulse-shaped for a short period of time of less than 00 ps. By the control device, the time profiles of the temperatures at the first temperature sensor 5 and the second temperature sensor 6 are detected after each heat pulse. Due to the small distance of the temperature sensor 5 from the heating element 4, the temporal temperature profile at the temperature sensor 5 is almost independent of the flow velocity or the volume flow of the flowing medium 2. Since the second temperature sensor 6 is significantly further away from the heating element 4, the time course at the second temperature sensor 6 strongly influenced by the flow velocity of the flowing medium and thus by the volume flow. As explained in more detail below with reference to FIG. 3, it is thus possible to determine the time difference between a first time at which a temperature maximum occurs at the first temperature sensor and a second time at which a temperature maximum occurs at the second temperature sensor 6 Volumetric flow of the flowing medium to determine gas type independent. 1 additionally shows, as a dot-dashed line 9, an alternative position for the first temperature sensor 5. Since the first temperature sensor 5 is arranged very close to the heating element 4, it is irrelevant whether it is arranged upstream or downstream of the gas.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur im Wesentlichen gasartenunabhängigen Bestimmung des Volumenflusses eines strömenden Mediums durch eine Messstrecke. In Schritt S1 wird durch eine Steuereinrichtung ein Heizelement 4 mit einem kurzen Strompuls von weniger als 100 με bestromt, womit sich die Temperatur am Heizelement nahezu impulsförmig ändert. 3 schematically shows a flowchart of a method for the determination of the volume flow of a flowing medium, which is essentially independent of gas species, through a measuring section. In step S1, a heating element 4 is energized by a control device 4 with a short current pulse of less than 100 με, whereby the temperature at the heating element changes almost in a pulse shape.
Anschließend wird durch die Steuereinrichtung gleichzeitig in Schritt S2 der Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor 5 und in Schritt S3 der Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor 6 erfasst. Die Änderung der Temperaturen an den Temperatursensoren 5, 6 sind zum einen durch Prozesse, die auch im stehenden Medium erfolgen, beispielsweise durch Diffusion, zum anderen durch die Bewegung des strömenden Mediums über das Heizelement 4 in Richtung des zweiten Temperatursensors 6 beeinflusse Der Temperaturverlauf am Heizelement 4 sowie die durch die Steuereinrichtung erfassten Messwerte für den Temperatursensor 5 und den Temperatursensor 6 sind in Fig. 4 schematisch für eine Strömungsgeschwindigkeit eines strömenden Mediums gezeigt. Die durchgezogene Linie zeigt dabei die impulsartige Temperaturänderung am Heizelement 4. Die gestrichelte Linie zeigt den gemessenen Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor 5 und die strichpunktierte Linie den Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor 6. Dabei ist zwischen dem Temperaturverlauf am Heizelement 4, dem Temperaturverlauf am ersten Temperatursensor 5 und dem Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor 6 jeweils eine Verringerung der maximalen erfassten Temperatur sowie eine Verbreiterung des Temperaturmaximums zu erkennen. Subsequently, the temperature profile at the first temperature sensor 5 and in step S3 the temperature profile at the second temperature sensor 6 are detected by the control device simultaneously in step S2. The change in the temperatures at the temperature sensors 5, 6 are on the one hand by processes that take place even in a stationary medium, for example, by diffusion, on the other by the movement of the flowing medium via the heating element 4 in the direction of the second temperature sensor 6 influenced The temperature profile at the heating element 4 and the measured values for the temperature sensor 5 and the temperature sensor 6 detected by the control device are shown schematically in FIG. 4 for a flow velocity of a flowing medium. The solid line shows the pulse-like temperature change at the heating element 4. The dashed line shows the measured temperature profile at the first temperature sensor 5 and the dot-dash line the temperature profile at the second temperature sensor 6. It is between the temperature profile at the heating element 4, the temperature profile at the first temperature sensor 5 and the temperature profile at the second temperature sensor 6 to detect each a reduction in the maximum detected temperature and a broadening of the temperature maximum.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur am ersten Temperatursensor 5, also beispielsweise aus der gestrichtelten Linie aus Fig. 4, wird in Schritt S4 ein zeitlicher Abstand des ersten Zeitpunktes, zu dem die Temperaturverteilung ein Maximum aufweist, zum Beginn des Heizpulses, also zu dem Anfang des Pulses der durchgezogenen Linie in Fig. 4, bestimmt. From the temporal course of the temperature at the first temperature sensor 5, that is, for example, from the dashed line from FIG. 4, a time interval of the first time at which the temperature distribution has a maximum at the beginning of the heating pulse, that is, at the beginning of the pulse of the solid line in FIG. 4.
Fig. 5 zeigt beispielhaft den Zusammenhang zwischen einem Volumenfluss und einem Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt für drei verschiedene Gase. Die Messwerte für Stickstoff sind als Rauten gezeigt, die Messwerte für Methan als Kreuze und die Messwerte für ein weiteres Erdgas als Kreise. Dabei ist erkennbar, dass der Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem ersten erfassten Zeitpunkt im Wesentlichen unabhängig von dem Volumenfluss des Gases ist. By way of example, FIG. 5 shows the relationship between a volume flow and a time interval between the time of heating and the detected first time for three different gases. The measured values for nitrogen are shown as diamonds, the measured values for methane as crosses and the measured values for another natural gas as circles. It can be seen that the time interval between the time of heating and the first detected time is substantially independent of the volume flow of the gas.
In Schritt S5 wird ein zweiter Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Temperaturverlauf am zweiten Temperatursensor 6, also beispielsweise die strichpunktierte Linie in Fig. 4, ein Maximum aufweist. In step S5, a second point in time is determined at which the temperature profile at the second temperature sensor 6, that is to say, for example, the dot-dash line in FIG. 4, has a maximum.
Fig. 6 zeigt die Zeitabstände zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem zweiten Zeitpunkt, wiederum für die in Fig. 5 gezeigten drei unterschiedlichen Gase. Dabei ist zu erkennen, dass die in Fig. 6 gezeigte Zeitdifferenz primär von dem Volumenfluss der Gase abhängt, die Zeitabstände jedoch je nach Gas eine Abweichung von bis zu ungefähr 20 % bei gleichem Volumenfluss aufweisen. Eine Bestimmung des Volumenflusses mit einer gemeinsamen Kalibrierkurve für die gezeigten Gassorten würde damit zu relativ großen Messfehlern führen. Fig. 6 shows the time intervals between the time of heating and the second time, again for the three different gases shown in Fig. 5. It can be seen that the time difference shown in Fig. 6 depends primarily on the volume flow of the gases, but the time intervals depending on the gas have a deviation of up to about 20% with the same volume flow. A determination of the volume flow with a common calibration curve for the gas species shown would thus lead to relatively large measurement errors.
Im Schritt S6 wird die Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt berechnet. Dies entspricht dem Abziehen der in Fig. 5 gezeigten Messwerte von den in Fig. 6 gezeigten Messwerten. Das Ergebnis dieser Berechnung ist in Fig. 7 wiederum für die drei Gase und für verschiedene Volumenflüsse gezeigt. Die Zeitdifferenzen für die verschiedenen Gase sind dabei für jeden Volumenfluss jeweils nahezu identisch. Daher kann in Schritt S7 eine gemeinsame Kalibrierkurve genutzt werden, die ausschließlich von Eigenschaften der Messeinrichtung 1 und des umgebenden Messkanals abhängig ist und die in der Steuereinrichtung gespeichert ist, um die in Schritt S6 berechnete Zeitdifferenz in einen Volumenfluss umzurechnen. In step S6, the time difference between the first and second times is calculated. This corresponds to subtracting the measured values shown in FIG. 5 from the measured values shown in FIG. The result of this calculation is again shown in Fig. 7 for the three gases and for different volume flows. The time differences for the different gases are almost identical for each volume flow. Therefore, in step S7, a common calibration curve can be used which depends exclusively on properties of the measuring device 1 and the surrounding measuring channel and which is stored in the control device in order to convert the time difference calculated in step S6 into a volume flow.
Um neben dem Volumenfluss weitere Parameter des strömenden Mediums 2 zu ermitteln, wird in Schritt S8 eine zweite in der Steuereinrichtung gespeicherte Kalibrierkurve genutzt, um aus dem in Schritt S4 bestimmten Zeitabstand zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem ersten erfassten Zeitpunkt einen ersten Gasparameter, nämlich eine Temperaturleitfähigkeit, zu ermitteln. Dabei werden vorteilhaft Temperaturleitfähigkeiten für mehrere Heizintervalle berechnet und gemittelt, um Messfehler zu minimieren. In order to determine further parameters of the flowing medium 2 in addition to the volume flow, in step S8 a second calibration curve stored in the control device is used to determine a first gas parameter, namely a value from the time interval between the time of heating and the first detected time determined in step S4 Thermal conductivity to determine. In this case, temperature conductivities for several heating intervals are advantageously calculated and averaged in order to minimize measurement errors.
Zusätzlich wird in Schritt S9 der Temperaturwert am Temperaturmaximum des ersten Temperatursensors, also das Maximum der gestrichelten Kurve in Fig. 4, ermittelt und in Schritt S10 der Temperaturwert am Temperaturmaximum des zweiten Temperatursensors 6, also das Maximum der strichpunktierten Linie in Fig. 4. Aus diesen beiden Temperaturwerten sowie dem in Schritt S8 bestimmten Gasparameter wird in Schritt S1 1 ein weiterer Gasparameter, nämlich die Wärmeleitfähigkeit, bestimmt und zudem ermittelt, welches Gas beziehungsweise welches Gasgemisch das strömende Medium bildet. Hierzu können insbesondere mehrdimensionale Kalibrierkurven beziehungsweise Wertetabellen genutzt werden. Insbesondere ist es jedoch möglich, aus den in Schritt S9 und S10 berechneten Temperaturwerten eine Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen und aus der in Schritt S8 bestimmten Temperaturleitfähigkeit und der bestimmten Wärmeleitfähigkeit eine Gassorte oder die Zusammensetzung eines Gasgemisches zu bestimmen. Insbesondere kann dabei ein Wasserstoffanteil bestimmt werden. In addition, in step S9, the temperature value at the temperature maximum of the first temperature sensor, ie the maximum of the dashed curve in Fig. 4, and determined in step S10, the temperature value at the temperature maximum of the second temperature sensor 6, ie the maximum of the dotted line in Fig. 4. Off These two temperature values and the gas parameter determined in step S8, a further gas parameter, namely the thermal conductivity determined in step S1 1 and also determines which gas or which gas mixture forms the flowing medium. In particular, multidimensional calibration curves or value tables can be used for this purpose. In particular, however, it is possible to determine a thermal conductivity from the temperature values calculated in steps S9 and S10 and to determine a type of gas or the composition of a gas mixture from the thermal conductivity determined in step S8 and the determined thermal conductivity. In particular, a hydrogen content can be determined.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Messeinrichtung 1 measuring device
2 Medium  2 medium
3 Substrat  3 substrate
4 Heizelement  4 heating element
5 erste Temperatursensor 5 first temperature sensor
6 zweite Temperatursensor6 second temperature sensor
7 Doppelpfeil 7 double-headed arrow
8 Pfeil  8 arrow
9 Linie  9 line

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur im Wesentlichen gasartenunabhängigen Bestimmung des Volumenflusses eines strömenden Mediums durch eine Messstrecke, umfassend die Schritte: Method for the determination of the volume flow of a flowing medium, which is essentially independent of gas species, through a measuring section, comprising the steps:
impulsförmiges Erwärmen des Mediums durch ein Heizelement,  Pulsed heating of the medium by a heating element,
Erfassen eines ersten Zeitpunkts, zu dem ein Temperaturmaximum an einem ersten zum Heizelement stromaufwärts oder stromabwärts benachbart angeordneten ersten Temperatursensor auftritt,  Detecting a first time at which a temperature maximum occurs at a first first temperature sensor disposed adjacent to the heating element upstream or downstream,
- Erfassen eines zweiten Zeitpunkts, zu dem ein Temperaturmaximum an einem zweiten stromabwärts von dem Heizelement angeordneten zweiten Temperatursensor auftritt, wobei der zweite Temperatursensor weiter von der Wärmequelle beabstandet ist, als der erste Temperatursensor, Detecting a second time at which a temperature maximum occurs at a second downstream of the heating element arranged second temperature sensor, wherein the second temperature sensor is farther from the heat source, than the first temperature sensor,
- Ermitteln einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt, und Determining a time difference between the first and second times, and
Bestimmen des Volumenflusses in Abhängigkeit der Zeitdifferenz.  Determining the volume flow as a function of the time difference.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Temperatursensor verwendet wird, der weniger als 100 μητι, bevorzugt zwischen 15 μιη und 50 μιτι, insbesondere zwischen 20 pm und 30 pm, von dem Heizelement beabstandet ist. A method according to claim 1, characterized in that a first temperature sensor is used which is less than 100 μητι, preferably between 15 μιη and 50 μιτι, in particular between 20 pm and 30 pm, is spaced from the heating element.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Volumenflusses aus der Zeitdifferenz eine vorgegebene Kalibrierkurve verwendet wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for determining the volume flow from the time difference, a predetermined calibration curve is used.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Kalibrierkurve für Gase mit unterschiedlichen Temperaturleitfähigkeiten verwendet wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that a common calibration curve for gases with different Temperaturleitfähigkeiten is used.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium ein Gasgemisch genutzt wird, wobei eine gemeinsame Kalibrierkurve für Gasgemische mit verschiedenen Wasserstoffanteilen verwendet wird. 5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that a gas mixture is used as a medium, wherein a common calibration curve is used for gas mixtures with different hydrogen contents.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Kalibrierkurve für mehrere verschiedene Gase und/oder Gasgemische genutzt wird. 6. The method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that a common calibration curve for several different gases and / or gas mixtures is used.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Zeitabstands zwischen dem Zeitpunkt des Heizens und dem erfassten ersten Zeitpunkt ein Gasparameters bestimmt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a gas parameter is determined in dependence on the time interval between the time of heating and the detected first time.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Temperaturwerts am Temperaturmaximum des ersten Temperatursensors und des Temperaturwerts am Temperaturmaximum des zweiten Temperatursensors ein weiterer Gasparameter bestimmt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that depending on the temperature value at the temperature maximum of the first temperature sensor and the temperature value at the temperature maximum of the second temperature sensor, a further gas parameter is determined.
9. Messeinrichtung zur Ermittlung eines gasartenunabhängigen Volumenflusses eines strömenden Mediums (2), umfassend eine Messstrecke mit einem Heizelement (4), einem ersten zum Heizelement stromaufwärts oder stromabwärts benachbart angeordneten ersten Temperatursensor (5) und einem stromabwärts von dem Heizelement angeordneten zweiten Temperatursensor (6), wobei der zweite Temperatursensor (6) weiter von dem Heizelement (4) beabstandet ist, als der erste Temperatursensor (5), und wobei die Messeinrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist. 9. Measuring device for determining a gas-type independent volume flow of a flowing medium (2), comprising a measuring section with a heating element (4), a first upstream to the heating element upstream or downstream adjacent arranged first temperature sensor (5) and a downstream of the heating element arranged second temperature sensor (6 ), wherein the second temperature sensor (6) is further spaced from the heating element (4) than the first temperature sensor (5), and wherein the measuring device (1) is designed for carrying out the method according to one of the preceding claims.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Heizelement (4) und dem ersten Temperatursensor (5) kleiner als 100 μιη, bevorzugt zwischen 15 pm und 50 pm, insbesondere zwischen 20 μητι und 30 pm, ist. 10. Measuring device according to claim 9, characterized in that the distance between the heating element (4) and the first temperature sensor (5) is less than 100 μιη, preferably between 15 pm and 50 pm, in particular between 20 μητι and 30 pm.
1 1. Messeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor (5, 6) wenigstens 100 pm, bevorzugt zwischen 150 pm und 550 pm, insbesondere zwischen 150 pm und 350 pm beträgt. 1 1. Measuring device according to claim 9 or 10, characterized in that the distance between the first and the second temperature sensor (5, 6) is at least 100 pm, preferably between 150 pm and 550 pm, in particular between 150 pm and 350 pm.
12. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (5) und der zweite Temperatursensor (6) durch freiliegend durch den Messkanal verlaufende Drähte oder Dünnschichtfilme gebildet oder auf einer im Merkmal befindlichen oder durch den Messkanal verlaufenden Membran angeordnet oder in einer solchen eingebettet sind. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) und/oder der erste und/oder der zweite Temperatursensor (5, 6) aus Metall, einer metallischen Legierung oder einem Halbleitermaterial gebildet sind. 12. Measuring device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the first temperature sensor (5) and the second temperature sensor (6) formed by exposed through the measuring channel wires or thin film or on a feature located in or running through the measuring channel membrane arranged or embedded in such. Measuring device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the heating element (4) and / or the first and / or the second temperature sensor (5, 6) made of metal, a metallic alloy or a semiconductor material are formed.
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