WO2004018976A2 - Thermisches gasdurchfluss-messgerät mit gasqualitätsindikator - Google Patents

Thermisches gasdurchfluss-messgerät mit gasqualitätsindikator Download PDF

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WO2004018976A2 PCT/CH2003/000492 CH0300492W WO2004018976A2 WO 2004018976 A2 WO2004018976 A2 WO 2004018976A2 CH 0300492 W CH0300492 W CH 0300492W WO 2004018976 A2 WO2004018976 A2 WO 2004018976A2
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    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas

Definitions

  • the present invention relates to the field of measuring gas flows with thermal sensors. It is based on a method and a sensor for mass flow measurement according to the preamble of the independent claims.
  • WO 01/96819 AI discloses a gas meter that is calibrated as an energy meter.
  • the calibration is based on the fact that sensor signal values are determined depending on the flow rate of a calibration gas or calibration gas and are stored in the gas meter in the form of a sensor calibration curve or sensor calibration curve.
  • the sensor calibration curve or the sensor signal values are multiplied by a signal conversion factor and a calorific value factor for the basic gas mixture, so that the product obtained indicates a gas consumption in a power unit and after integration in a power unit.
  • the actual calorific value of a gas mixture obtained can be at least approximately taken into account in the energy calibration.
  • a measured calorific value over a certain period of time can be used as the actual calorific value.
  • the disadvantage is that an external unit for determining the calorific value is required.
  • EP 0 373 965 discloses a method and a device for determining gas or energy consumption from a corrected mass flow signal.
  • Signal correction takes into account the thermal conductivity, specific heat capacity and density of the gas.
  • the corrected mass flow signal and thus the gas or energy consumption are independent of the type of gas and in particular are identical for air, argon, helium, carbon dioxide, methane and propane.
  • the disadvantage is that such a standardized mass flow signal is insensitive to the calorific value of a gas or gas mixture, since combustible gases with different calorific values (e.g. methane or propane) have the same mass flow signals and even the same signals as non-combustible gases (e.g. helium, argon) , Carbon dioxide or air).
  • WO 01/18500 discloses an improved mass flow measurement with two thermal CMOS anemometers. With the heating gas at a constant heat output, a thermal conductivity and with a pulsed heat output a heat capacity are measured, the gas is identified and the total calorific value of the gas is determined from its specific calorific value together with the mass flow measurement. Another disadvantage is the relatively great effort involved in determining the amount of energy consumed from separate values of mass flow and specific calorific value. In addition, the specific calorific value must be measured continuously and with great accuracy for a sufficiently precise determination of the energy consumption.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for determining a flow rate, with improved verifiability being achieved. According to the invention, this object is achieved by the features of the independent claims.
  • the invention consists in a method for measuring gas consumption by means of a gas meter, in particular for measuring a billable gas energy supply in the private, public or industrial area, with sensor gas values which are essentially proportional to a flow rate from the gas meter using a thermal flow sensor. are determined and the sensor signal values are output as energy values on the basis of a calibration of the gas meter as an energy measuring device, the gas meter determining a type of gas to the extent that a non-flammable gas mixture is distinguished from a flammable gas mixture and the gas meter is present with a non-flammable gas mixture Calibration in mass or standard volume units and in the presence of a flammable gas mixture is operated with a calibration in energy units.
  • Operation as an energy meter also includes calibration and operation as a power meter with output of power values.
  • the method and gas meter according to the invention have various advantages.
  • the reliability of the energy measurement is significantly increased since, with little effort in the gas flowing through, a strict distinction is made between high-quality useful gas and non-combustible gas.
  • a distinction is automatically made between a non-combustible calibration gas, typically nitrogen or air, and a basic gas mixture or gas to be measured, and an automatic switchover from a mass or volume scale to an energy scale is carried out.
  • the same distinction is also made when decommissioning, commissioning, tampering with the gas meter or other Effectively effective, so that falsifications of the energy measurement through contact with air or the like are excluded.
  • Operation with a calibration in mass, volume or energy units includes, in particular, a signal output and / or signal display in these units.
  • At least one gas-type-dependent parameter of the gas mixture is determined using a thermal gas quality sensor.
  • the embodiment according to claim 3 has the advantage of a particularly simple sensor configuration and signal evaluation.
  • a summation of the temperature signals has the effect that the signal for determining a gas type-specific parameter or heat coefficient is independent of the direction of flow and of possible asymmetries in the arrangement of the temperature sensors.
  • a larger signal is also achieved than when using the upstream temperature sensor alone.
  • the exemplary embodiments according to claims 4 and 5 have the advantage that a simple calculation rule is sufficient to categorize the gas or gas mixture present as highly combustible and therefore suitable for a billable energy supply or as non-combustible and thus as a non-billable mass flow.
  • the exemplary embodiments according to claim 6 have the advantage that the current requirement of the gas meter can be effectively reduced without loss of measuring accuracy.
  • the exemplary embodiment according to claim 7 has the advantage that the total gas energy consumption or energy supply can also be correctly determined if switchovers between the calibration in energy units and other flow units such as mass or volume have been carried out.
  • the embodiment according to claim 8 has the advantage that the flow measurement in mass or standard volume units can be continued continuously, z. B. to determine a total volume flow, or is only integrated with the flow of non-flammable gases, z. For example, to generate a complementary control variable for the supply of combustible gases when the gas circuit is closed, or to reinitialize after each switchover of the calibration in order to document interruptions in the supply of energy.
  • Embodiments according to claim 9 have the particular advantage that manipulation attempts on the gas meter are easily recognizable.
  • the embodiment according to claim 10 has the advantage that automatic calorific value tracking is also carried out without any external or internal determination of the current specific calorific value of the gas or gas mixture.
  • the invention consists in a gas meter with a thermal mass flow sensor for determining a gas energy consumption according to the previously described method.
  • the gas meter comprises a thermal flow sensor, is calibrated as an energy measuring device in energy units and additionally as a mass flow meter in mass or standard volume units, and has a gas quality sensor which provides a discrimination signal, in particular a gas type-dependent parameter or heat coefficient, to distinguish a combustible gas mixture from one generated non-combustible gas mixture, and can be switched between operation as an energy measuring device or as a mass flow meter due to the discrimination signal.
  • the gas meter is therefore calibrated for calibration purposes, for storage or when decommissioning as a mass flow meter or, with additional density measurement, as a volume flow meter and for measuring or billing purposes as an energy meter. There is no offsetting in operation if air is detected. Instead, a flow measurement in mass or volume can be carried out.
  • the exemplary embodiments according to claims 12-15 enable a particularly simple construction and operation of the gas meter.
  • attempts to tamper with the gas meter during operation can be recognized when recurring contact with air is detected.
  • 1 shows in cross section a flowed tube with a thermal flow sensor, which is part of a gas meter with dual calibration according to the invention as an energy and volume meter; 2 temperature sum signals for determining gas-specific heat transfer coefficients; 3 shows a calibration curve for the transition between calibration gas and base gas mixture (useful gas); and
  • Fig. 4 is a table with gas parameters for natural gas.
  • FIG. 1 shows a gas meter 1 comprising a thermal flow or mass flow sensor la, lb, 7, which has a sensor arranged in a flow channel or pipe 2.
  • element la, a membrane lb and a measurement and evaluation unit 7 comprises.
  • a gas 3 with a flow or velocity profile 4 flows in the tube 2.
  • the sensor element 1 a is exposed to a flow velocity v to be measured.
  • the flow sensor 1 comprises a heating element 6, a first temperature sensor 5a upstream and a second temperature sensor 5b downstream.
  • a mass flow or standard volume flow signal S M can be determined from temperature signals i, T 2 of the temperature sensors 5a, 5b.
  • the principle of operation is based on the fact that a temperature distribution generated by the heating element 6 becomes asymmetrical through the flow 4 and a temperature difference T x -T 2 at the temperature sensors 5a, 5b is used as a measure of the flow velocity v or the mass flow dm / dT.
  • the mass flow signal S M is proportional to the temperature difference T x -T.
  • the measuring means 7 also determine and output energy value signals S E from the mass flow signals S M or generally sensor signals S of the flow sensor la on the basis of a calibration of the gas meter 1 as an energy measuring device.
  • CMOS anemometer As an energy measuring device is disclosed in WO 01/96819 AI, the content of which is hereby incorporated in full by reference into the present disclosure. Likewise, the three articles cited therein on the CMOS anemometer by J. Robadey and F. Mayer et al. incorporated by reference here. The CMOS anemometer described there is particularly suitable as sensor element la of the flow sensor. According to the invention, a gas type is now determined by the gas meter 1 to the extent that a non-flammable gas mixture 3 is distinguished from a flammable gas mixture 3 and the gas meter 1 is calibrated in mass or standard volume units, for example, in the presence of a non-flammable gas mixture 3. B.
  • a thermal flow sensor can generally be used, in which the gas 3 is passed over a sensor element, which has a heating means for changing the temperature and a sensor means for determining its temperature, the flow-dependent temperature change again being a measure of the mass flow.
  • the thermal flow sensor 1 a can also be operated with only one temperature sensor 5 a arranged downstream.
  • a signal output means a signal display and / or signal transmission to a reading or central evaluation unit (not shown).
  • a sensor signal S is measured with a calibration gas 3, typically nitrogen N 2 or air, which is essentially proportional to the standard volume flow rate d (V N2 , “) / dt of the calibration gas 3.
  • a sensor calibration curve F (S) flow rate as a function of the sensor signal S, formerly referred to as F n (S (d (V 2 , n ) / dt) determined and stored in the evaluation unit 7 of the gas meter 1.
  • the calibration of the flow rate can thus be expressed by a sensor calibration curve F (S) for the calibration gas under standard conditions.
  • the thermal flow sensor la in particular in the CMOS anemometer flow sensor la, has an inherent automatic calorific value tracking in the event of deviations of the current gas mixture 3 from the basic gas mixture CH.
  • a thermal gas quality sensor la preference is given to at least one parameter ⁇ , c, ⁇ (diffusivity), ⁇ (viscosity) of the gas mixture 3, in particular a heat coefficient ⁇ , c, ⁇ such as. B. a thermal conductivity ⁇ and / or a heat capacity c, determined and identified by comparison with known values of the parameter ⁇ , c, ⁇ , ⁇ for known gases or gas mixtures, the gas mixture 3 as combustible or non-combustible.
  • a more detailed analysis for measuring the thermal conductivity with the thermal flow sensor la is given.
  • the heat transport including convection from the stationary heat conduction equation can be done by adding a convective term
  • the heat conduction equation is with forced convection
  • Equation (Gl) was calculated using a finite element calculation for the flow sensor la according to FIG. 1 in a CMOS version for typical gas components of natural gas (propane C 3 H 8 , ethane C 2 H S , carbon dioxide C0 2 , methane CH 4 , nitrogen N 2 and helium He) using their known heat coefficient ⁇ , c p , solved. 2, the resulting temperature sum T x + T 2 for these natural gas components is plotted as a function of the flow velocity v x .
  • the temperature sum Ti + T 2 for small v x (in the approximate range 0 ... 20 ml / min, in particular 0 ...
  • a gas coefficient-dependent heat coefficient ⁇ , c, ⁇ can also be determined from the temperature signal of the first temperature sensor 5a alone - and even from the less varied temperature signal of the second temperature sensor 5b alone.
  • the thermal conductivity ⁇ can also be measured on the quiescent gas with constant heating power and separately therefrom with pulsed heating power the heat capacity c or c * p.
  • the heating medium is operated at least temporarily with a constant heating output or in the form of heating pulses and a flow-independent thermal conductivity ⁇ or heat capacity c is measured.
  • a measured thermal conductivity ⁇ is matched to a thermal conductivity value corresponding to an absolute value of 0.026 W / mK for nitrogen, oxygen or air, in particular 0.0260 W / mK for nitrogen, 0.0263 W / mK for oxygen or 0.0261 W / mK for air, or 0.0168 W / mK for carbon dioxide, a predeterminable tolerance of + 10%, preferably + 5% and particularly preferably + 2% being taken into account.
  • the gas mixture 3 is categorized as non-combustible and a signal output 8 of the gas meter 1 with one in mass or standard volume units, eg. B. 1 / min, calibrated scale 8b operated. If they do not match, the gas mixture 3 is categorized as combustible and a signal output 8 of the gas meter 1 with one in energy units, e.g. B. kWh, calibrated scale 8a operated.
  • a measured heat capacity c or c p is compared with a threshold value corresponding to an absolute value of 1300 J / kgK, a predefinable tolerance of ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% and particularly preferably ⁇ 2% being taken into account. If the threshold value is undershot, the gas mixture 3 is categorized as non-combustible and a signal output 8 from the gas meter 1 is operated with a scale 8b calibrated in mass or standard volume units. If the threshold value is exceeded, the gas mixture 3 is categorized as combustible and a signal output 8 from the gas meter 1 is operated with a scale 8a calibrated in energy units.
  • a consumed gas energy supply can be integrated in the gas meter 1 and temporarily stored when the calibration is switched over to mass or standard volume units and when switching back to energy units
  • the flow rate S M can be further incremented and in particular output when the calibration is switched to energy units, or the integrated flow rate is temporarily stored and in particular output and is used as a starting value when switching back to mass or standard volume units or is reset to zero as a starting value.
  • an indicator or display 9 it can be shown whether the gas meter 1 is in contact with air or natural gas or a mixture of air and natural gas.
  • 1 mass or standard volume units can be specified by a default setting of the gas meter and energy units can only be specified when they come into contact with useful gas, in particular natural gas.
  • the calibration can be automatically switched from mass or standard volume units or air to energy units or natural gas.
  • a manipulation indicator 10 of the gas meter 1 can be activated when contact is made with air, natural gas and air.
  • the invention also relates to a gas meter 1 for carrying out the method described above.
  • the thermal flow sensor la and the gas quality sensor la preferably have an identical sensor structure and 0 are in particular identical.
  • the thermal flow sensor la can be operated as a gas quality sensor la if a measured mass flow rate falls below a predefinable threshold value.
  • the gas quality sensor 1 a can be arranged in a region with a constant flow rate, in particular with largely stationary gas 3.
  • the gas meter 1 comprises: an indicator or a display 9 for gas quality, in particular for the presence of calibration gas 3 or useful gas 3, preferably of air, natural gas or air-natural gas mixture; a manipulation indicator 10 which can be activated upon alternating contact with a non-combustible gas 3, in particular calibration gas 3, a combustible gas or useful gas 3 and in turn a non-combustible gas 3, in particular an ambient gas 3; a measuring and evaluation unit 7 for determining energy consumption values (S E ) and / or mass flow values S M ; and preferably separate data memories 7b, 7c for storing energy consumption values S E and mass flow values or standard volume flow values S M.
  • an indicator or a display 9 for gas quality in particular for the presence of calibration gas 3 or useful gas 3, preferably of air, natural gas or air-natural gas mixture
  • a manipulation indicator 10 which can be activated upon alternating contact with a non-combustible gas 3, in particular calibration gas 3, a combustible gas or useful gas 3 and in turn a
  • the computing unit 7a also includes a data memory for known heat coefficients ⁇ , c p , ⁇ , densities p or viscosities ⁇ of known gases, and computing means for comparing measured heat coefficients ⁇ , c p ,, densities p or viscosities ⁇ interpolated from storage values and computing means for determining the gas mixture 3 as combustible or billable or incombustible or not billable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines Gasverbrauchs mittels eines Gaszählers (1). Ein Gaszähler (1) mit thermischem Durchflusssensor (1a) zur Bestimmung von Massenflusssignalen (SM) und mit einer Kalibration als Energiemessgerät zur Ausgabe von Energiewertsignalen (SE) ist bekannt. Erfindungsgemäss wird vom Gaszähler (1) eine Gasart insoweit bestimmt, dass brennbare und unbrennbare Gasgemische (3) unterschieden werden. Der Gaszähler (1) wird bei unbrennbarem Gasgemisch (3) mit Kalibration in Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) und bei brennbarem Gasgemisch (3) mit Kalibration in Energieeinheiten (kWh) betrieben. Ausführungsbeispiele betreffen u. a.: Messung eines Gasparameters (λ, α, c, η) des Gases (3) zur Gasartbestimmung; Gasqualitätssensor (1a) mit identischem Aufbau wie thermischer Durchflusssen­sor (1a); Messintervalle verlängert bei unbrennbarem Gas (3) und verkürzt bei brennbarem Gas (3). Vorteile sind u.a.: zuverlässige Energiemessung wegen automatischer Unterscheidung zwischen nicht verrechenbarem Gas (3) und hochwertigem Nutzgas (3); Erkennung von Manipulations­versuchen; und automatische Heizwertnachführung auch ohne Heizwertmessung.

Description

BESCHREIBUNG
Thermisches Gasdurchfluss-Messgerät mit Gasqualitä sindikator
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messung von Gasströmungen mit thermischen Sensoren. Sie geht aus von einem Verfahren und einem Sensor zur Massenflussmessung gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche .
STAND DER TECHNIK
In der WO 01/96819 AI wird ein Gaszähler offenbart, der als Energiemessgerät geeicht ist. Die Eichung beruht darauf, dass Sensorsignalwerte in Abhängigkeit der Durchflussrate eines Eichgases oder Kalibriergases bestimmt und in Form einer Sensoreichkurve oder Sensorkalibrierkurve im Gaszähler gespeichert werden. Die Sensoreichkurve beziehungsweise die Sensorsignalwerte werden mit einem Signal- Umrechnungsfaktor und einem Brennwertfaktor für das Basis- Gasgemisch multipliziert, so dass das erhaltene Produkt einen Gasverbrauch in einer Leistungseinheit und nach Integration in einer Energieeinheit angibt. Mit einem weiteren Korrekturfaktor kann wenigstens näherungsweise der tatsächliche Heizwert eines bezogenen Gasgemisches in der Energieeichung berücksichtigt werden. Als tatsächlicher Heizwert kann ein gemessener, über eine bestimmte Zeitspanne gemittelter Heizwert verwendet werden. Nachteilig ist, dass eine externe Einheit zur Bestimmung des Heizwerts erforderlich ist.
In der EP 0 373 965 werden ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Bestimmung eines Gas- oder Energieverbrauchs aus einem korrigierten Massenflusssignal offenbart. Bei der Signalkorrektur werden die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte des Gases berücksichtigt. Das korrigierte Massenflusssignal und damit der Gas- oder Energieverbrauch sind unabhängig von der Gasart und insbe- sondere identisch für Luft, Argon, Helium, Kohlendioxid, Methan und Propan. Nachteilig ist, dass ein solcherart normiertes Massenflusssignal insensitiv für den Heizwert eines Gases oder Gasgemisches ist, da brennbare Gase mit unterschiedlichem Heizwert (z. B. Methan oder Propan) gleiche Massenflusssignale und sogar gleiche Signale wie unbrennbare Gase (z. B. Helium, Argon, Kohlendioxid oder Luft) ergeben.
In dem U. S. Pat. No. 5 '311' 447 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung des spezifischen Heizwerts von Erdgas offenbart. Hierzu werden mit empirischen Formeln spezifischer Heizwert, Dichte oder Anteil inerter Gase aus gemessenen Werten von Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, optischer Absorption usw. bestimmt. Nachteilig ist der grosse Mess- und Rechen- aufwand bei der quantitativen Messung mehrerer unabhängiger gasartabhängiger Grossen und bei deren Zusammenführung mit einer Volumenflussmessung in einem Gaszähler zur Bestimmung einer konsumierten Energiemenge.
In der WO 01/18500 wird eine verbesserte Massenflussmes- sung mit zwei thermischen CMOS-Anemometern offenbart. Am ruhenden Gas werden bei konstanter Heizleistung eine Wär- meleitfähgikeit und bei gepulster Heizleistung eine Wärmekapazität gemessen, das Gas identifiziert und aus dessen spezifischen Heizwert zusammen mit der Massenflussmessung der totale Brennwert des Gases bestimmt. Nachteilig ist wiederum der relativ grosse Aufwand bei der Bestimmung der konsumierten Energiemenge aus separaten Werten von Massen- fluss und spezifischem Heizwert. Zudem muss der spezifische Heizwert für eine hinreichend genaue Bestimmung des Energiebezugs kontinuierlich und mit grosser Genauigkeit gemessen werden. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussrate anzugeben, wobei eine verbesserte Eichbarkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemass durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Messen eines Gasverbrauchs mittels eines Gaszählers, insbesondere zum Messen eines verrechenbaren Gas- energiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei vom Gaszähler mit Hilfe eines thermischen Durchflusssensors zu einer Durchflussrate im wesentlichen proportionale Sensorsignalwerte • bestimmt werden und die Sensorsignalwerte aufgrund einer Kalibration des Gaszäh- lers als Energiemessgerät als Energiewerte ausgegeben werden, wobei vom Gaszähler eine Gasart insoweit bestimmt wird, dass ein nicht brennbares Gasgemisch von einem brennbaren Gasgemisch unterschieden wird und der Gaszähler bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches mit einer Kalibration in Massen- oder Normvolumeneinheiten und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches mit einer Kalibration in Energieeinheiten betrieben wird. Der Betrieb als Energiemessgerät umfasst auch Kalibration und Betrieb als Leistungsmessgerät mit Ausgabe von Leistungs- werten. Das erfindungsgemässe Verfahren und Gasmeter bringt diverse Vorteile.-' Die Zuverlässigkeit der Energiemessung wird deutlich erhöht, da mit geringem Aufwand beim durchströmenden Gas streng unterschieden wird zwischen hochwertigem Nutzgas und nicht brennbarem Gas. Insbesonde- re wird automatisch zwischen einem nicht brennbaren Eichgas, typischerweise Stickstoff oder Luft, und einem Basis- Gasgemisch oder zu messenden Gas unterschieden und eine automatische Umschaltung von einer Massen- oder Volumenskala auf eine Energieskala durchge ührt . Die gleiche Un- terscheidung wird auch bei einer Ausserbetriebnahme, Inbetriebnahme, bei Manipulation am Gaszähler oder aus anderem Grund wirksam, so dass Verfälschungen der Energiemessung durch Kontakt mit Luft o. ä. ausgeschlossen sind. Der Betrieb mit einer Kalibration in Massen-, Volumen- oder Energieeinheiten beinhaltet insbesondere eine Signalausga- be und/oder Signalanzeige in diesen Einheiten.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe eines thermischen Gasqualitätssensors mindestens ein gasart- abhängiger Parameter des Gasgemisches, insbesondere ein Wärmekoeffizient wie z. B. eine Wärmeleitfähigkeit λ und/oder Wärmekapazität c oder eine Viskosität η, bestimmt und durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch als brennbar oder nicht brennbar identifiziert. Es genügt also eine ungefähre Kenntnis der Art. oder Zusammensetzung des Gases, damit eine digitale Entscheidung brennbar/unbrennbar getroffen und die entsprechende Kalibrierung aktiviert werden kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 3 hat den Vorteil einer besonders einfachen Sensorkonfiguration und Signal- auswertung. Eine Summenbildung der Temperatursignale bewirkt, dass das Signal zur Bestimmung eines gasartspezifi- schen Parameters oder Wärmekoeffizienten unabhängig von der Flussrichtung und von möglichen Asymmetrien der Anordnung der Temperatursensoren ist. Es wird auch ein grösse- res Signal erzielt als bei Verwendung des stromaufwärts gelegenen Temperatursensors alleine.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 4 und 5 haben den Vorteil, dass eine einfache Rechenvorschrift genügt, um das anwesende Gas oder Gasgemisch mit hoher Zuverlässig- keit als brennbar und damit für einen verrechenbaren Energiebezug geeignet oder als nicht brennbar und damit als nicht verrechenbaren Massenfluss zu kategorisieren.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 6 haben den Vorteil, dass der Strombedarf des Gaszählers ohne Verlust an Messgenauigkeit wirkungsvoll gesenkt werden kann. Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 7 hat den Vorteil, dass der gesamte Gasenergieverbrauch oder Energiebezug auch dann korrekt bestimmt werden kann, wenn Umschaltungen zwischen der Kalibration in Energieeinheiten und anderen Durchflusseinheiten wie Masse oder Volumen durchgeführt wurden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil, dass die Durchflussmessung in Massen- oder Normvolumeneinheiten wahlweise ununterbrochen fortgeführt wird, z. B. um einen Gesamtvolumenfluss zu bestimmen, oder nur bei Fluss unbrennbarer Gase aufintegriert wird, z. B. um bei geschlossenem Gaskreislauf eine komplementäre Kontroll- grösse für den Bezug brennbarer Gase zu generieren, oder nach jeder Umschaltung der Kalibration neu initialisiert wird, um Unterbrüche beim Energiebezug zu dokumentieren.
Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 9 haben insbesondere den Vorteil, dass Manipulationsversuche am Gaszähler einfach erkennbar sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 10 hat den Vor- teil, dass eine automatische Heizwertnachführung auch ohne irgendeine externe oder interne Bestimmung des aktuellen spezifischen Heizwerts des Gases oder Gasgemisches durchgeführt wird.
In einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in einem Gas- zähler mit einem thermischen Massenflusssensor zum Ermitteln eines Gasenergiebezugs gemäss dem zuvor beschriebenen Verfahren. Der Gaszähler umfasst einen thermischen Durchflusssensor, ist als Energiemessgerät in Energieeinheiten und zusätzlich als Massenflussmeter in Massen- oder Normvo- lumeneinheiten kalibriert, weist einen Gasqualitätssensor auf, der ein Diskriminationssignal, insbesondere einen gas- artabhängigen Parameter oder Wärmekoeffizienten, zur Unterscheidung eines brennbaren Gasgemisches von einem nicht brennbaren Gasgemisch erzeugt, und ist aufgrund des Diskri- minationssignals zwischen einem Betrieb als Energiemessgerät oder als Massenflussmeter umschaltbar. Der Gaszähler ist also für Eichzwecke, bei Lagerung oder bei Ausserbetriebnahme als Massenflussmeter oder, mit zusätzlicher Dichtemessung, als Volumenflussmeter kalibriert und für Mess- oder Verrechnungszwecke als Energiemeter. Im Betrieb findet keine Verrechnung statt, wenn Luft detektiert wird. Stattdessen kann eine Durchflussmessung in Masse oder Volumen durchgeführt werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Ansprüchen 12-15 ermöglichen einen besonders einfachen Aufbau und Betrieb des Gas- zählers. Insbesondere sind Manipulationsversuche am Gaszähler im Betrieb erkennbar, wenn eine wiederkehrende Kon- taktnahme mit Luft detektiert wird.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt ein durchströmtes Rohr mit einem thermischen Durchflusssensor, der Bestandteil ei- nes Gaszählers mit erfindungsgemass dualer Kalibrierung als Energie- und Mengenzähler ist; Fig. 2 Temperatursummensignale zur Bestimmung gasspezifischer Wärmeübergangskoeffizienten; Fig. 3 eine Kalibrationskurve für den Übergang zwischen Eichgas und Basis-Gasgemisch (Nutzgas) ; und
Fig. 4 eine Tabelle mit Gasparametern für Erdgas.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG Fig. 1 zeigt einen Gaszähler 1 umfassend einen thermischen Durchfluss- oder Massenflusssensor la, lb, 7, der ein in einem Strömungskanal oder Rohr 2 angeordnetes Sensor- element la, eine Membran lb und eine Mess- und Auswerteeinheit 7 umfasst. Im Rohr 2 strömt ein Gas 3 mit einem Strömungs- oder Geschwindigkeitsprofil 4. Das Sensorelement la ist einer zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v ausgesetzt. Der Durchflusssensor 1 umfasst ein Heizelement 6 , stromaufwärts einen ersten Temperatursensor 5a und stromabwärts einen zweiten Temperatursensor 5b. Aus Temperatursignalen i, T2 der Temperatursensoren 5a, 5b kann be- kanntermassen ein Massenfluss- oder Normvolumenflusssignal SM bestimmt werden. Die prinzipielle Funktionsweise beruht darauf, dass eine vom Heizelement 6 erzeugte Temperaturverteilung durch die Strömung 4 asymmetrisch wird und ein Temperaturunterschied Tx-T2 an den Temperatursensoren 5a, 5b als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit v oder den Massenfluss dm/dT verwendet wird. In guter Näherung gilt Massenflusssignal SM proportional zu Temperaturdifferenz Tx-T . Im vorliegenden Fall werden zudem durch die Messmittel 7 aus den Massenflusssignalen SM oder allgemein Sensorsignalen S des Durchflusssensors la aufgrund einer Ka- libration des Gaszählers 1 als Energiemessgerät Energiewertsignale SE bestimmt und ausgegeben. Die Kalibration als Energiemessgerät ist in der WO 01/96819 AI offenbart, deren Inhalt hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Ebenso seien die darin zitierten drei Artikel zum CMOS-Anemometer von J. Robadey sowie F. Mayer et al . durch Bezugnahme hier aufgenommen. Das dort beschriebene CMOS-Anemometer ist besonders geeignet als Sensorelement la des Durchflusssensors . Erfindungsgemass wird nun vom Gaszähler 1 eine Gasart insoweit bestimmt, dass ein nicht brennbares Gasgemisch 3 von einem brennbaren Gasgemisch 3 unterschieden wird und der Gaszähler 1 bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches 3 mit einer Kalibration in Massen- oder Norm- volumeneinheiten, z. B. 1/min, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches 3 mit einer Kalibration in Energie- oder Leistungseinheiten, z. B. kWh, betrieben wird. Für die Funktionsfähigkeit des Gaszählers 1 als Energie- und Massenflussmeter kann statt des Durchflusssensors la mit zwei Temperatursensoren 5a, 5b und insbesondere statt des CMOS-Anemometers la auch allgemein ein thermischer Durchflusssensor verwendet werden, bei welchem das Gas 3 über ein Sensorelement geführt wird, welches ein Heizmittel zur Temperaturänderung und ein Sensormittel zur Bestimmung seiner Temperatur aufweist, wobei die flussabhängige Temperaturänderung wiederum ein Mass für den Massen- fluss ist. Alternativ kann der thermische Durchflusssensor la auch mit nur einem stromabwärts angeordneten Temperatursensor 5a betrieben werden. Generell kann der Massen- fluss dm/dt in Massen- oder Normvolumeneinheiten, z. B. in kg/min, angegeben werden oder mit Hilfe der Dichte p aus einem Volumenfluss dV/dT bestimmt werden gemäss dm/dt=p*dV/dT . Im Gaszähler 1 bedeutet eine Signalausgabe eine Signalanzeige und/oder Signalübertragung an eine Ablese- oder zentrale Auswerteeinheit (nicht dargestellt) .
Gemäss der WO 01/96819 AI wird mit einem Eichgas 3, typi- scherweise Stickstoff N2 oder Luft, ein Sensorsignal S gemessen, das im wesentlichen proportional zur Normvolumen- Durchflussrate d(VN2,„)/dt des Eichgases 3 ist. Durch Inversion von S (d(VN2,n) /dt wird eine Sensoreichkurve F(S) (Durchflussrate in Abhängigkeit des Sensorsignals S) , vor- mals mit Fn(S (d(V2,n) /dt bezeichnet, bestimmt und in der Auswerteeinheit 7 des Gaszählers 1 abgespeichert. Im Betrieb wird dann das Sensorsignal S mit Hilfe der Sensoreichkurve F(S) auf ein (unkorrigiertes) Massenflusssignal Sm kalibriert, welches proportional zu F(S) ist oder ein- fach Sm=F(S) ist. Die Kalibration der Durchflussrate kann also durch eine Sensoreichkurve F(S) für das Eichgas unter Normbedingungen ausgedrückt werden. Das Massenflussraten- signal Sm hängt noch von der Gassorte ab. Daher werden Abweichungen des Massenflussratensignals Sra von einem exak- ten Idealwert für ein Basis-Gasgemisch, typischerweise Erdgas oder allgemein ein Kohlenwasserstoffgemisch CH, durch einen Signal-Umrechnungsfaktor oder Sensorsignal- Korrekturfaktor f-rc-ci- korrigiert (Fig. 3) . Somit gilt mit SM=korrigertes Massenflussratensignal . Schliesslich wird ein Energiewertsignal SE durch Multiplikation mit einem Heizwert HCH (kalorimetrischer Wert pro Einheit der Durchflussgrösse, d. h. pro Standardvolumen oder pro Masse) des Basis-Gasgemisches und Integration bestimmt: SE = JsM «HcH^dt = fN2-cH 'HCH •JF(S)«dt.
Ausgehend von dieser Energiekalibration für das Basis- Gasgemisch CH ist es nun jedoch nicht mehr notwendig, am Gasgemisch eine Messung des aktuellen Heizwerts des Gasgemisches durchzuführen. Gemäss der WO 01/96819 AI erfolgt nämlich im thermischen Durchflusssensor la, insbesondere im CMOS-Anemometer-Durchflusssensor la, eine inhärente automatische Heizwertnachführung bei Abweichungen des aktu- eilen Gasgemisches 3 vom Basis-Gasgemisch CH. Es genügt also, eine ungefähre Kenntnis über Art und/oder Zusammensetzung des Gases 3 zu erlangen und eine digitale Entscheidung herbeizuführen, ob ein brennbares oder verre- chenbares Gas 3 bezogen wird oder aber nur ein Durchfluss eines nicht brennbaren oder zumindest nicht verrechenbaren Gasbezugs gemessen werden soll, wobei im ersten Fall ohne Heizwertmessung eine relativ zuverlässige, auf den aktuellen Heizwert bezogene Energiemessung erfolgt.
Gemäss der WO 01/96819 AI oder der unveröffentlichten EP- Anmeldung Nr. 01 810 546.0, hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen, können für die genannten Grossen S, F(S), fN2-cH und HCH und daraus ableitbare Grossen auch geeignete Zeitmittelwerte verwendet werden.
Bevorzugt wird mit Hilfe eines thermischen Gasqualitäts- sensors la mindestens ein gasartabhängiger Parameter λ, c, α (Diffusivität) , η (Viskosität) des Gasgemisches 3, insbesondere ein Wärmekoeffizient λ, c, α wie z. B. eine Wärmeleitfähigkeit λ und/oder eine Wärmekapazität c, bestimmt und durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters λ, c, α, η für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch 3 als brennbar oder nicht brennbar identifiziert. Im folgenden wird eine detailliertere Analyse zur Messung der Wärmeleitfähigkeit mit dem thermischen Durchflusssensor la gegeben. Das zu messende Gas 3 kann als weitgehend inkompressibel angenommen werden, da relative Dichte- änderungen Δp/p=l/2 (v/c0)2 mit v = Flussgeschwindigkeit und c0 = Schallgeschwindigkeit für typische Werte v ~ 3 m/s und c0 ~ 300 m/s im Bereich von 10"4 liegen und somit vernachlässigbar sind. Für inkompressible Gase 3, d. h. v << c0, und unter Vernachlässigung viskoser Dissipation kann der Wärmetransport inklusive Konvektion aus der stationären Wärmeleitungsgleichung durch Hinzufügen eines konvektiven Terms hergeleitet werden. Für einen Strömungskanal 2 in x- Richtung ohne Wärmequelle im Gas 3 lautet die Wärmeleitungsgleichung mit erzwungener Konvektion
Figure imgf000012_0001
mit T = T(x, y, z) das stationäre Temperaturfeld im Gas 3, λ = Wärmeleitfähigkeit, vx = Flussgeschwindigkeit in x- Richtung, cp = Wärmekapazität und p = Dichte des Gases 3. Für vernachlässigbare Konvektion vx ~ 0 kann die Wärme- leitfähigkeit λ bestimmt werden, indem die stationäre Diffusionsgleichung
Figure imgf000012_0002
integriert wird und die korrekten Randbedingungen für die Integrationskonstanten (Wärmestrom j≠O, keine Wärmequelle im Gas 3) eingesetzt werden. Für nicht vernachlässigbare Konvektion vx > 0 kann aus Gleichung (Gl) bei bekanntem vx die inverse thermische Diffusivität "1 = cpp/λ bestimmt werden.
Gleichung (Gl) wurde mit einer finiten Elemente Berechnung für den Durchflusssensor la gemäss Fig. 1 in CMOS- Ausführung für typische Gasbestandteile von Erdgas (Propan C3H8, Äthan C2HS, Kohlendioxid C02, Methan CH4, Stickstoff N2 und Helium He) unter Verwendung von deren bekannten Wärme- koeffizienten λ, cp, gelöst. In Fig. 2 ist die resultierende Temperatursumme Tx + T2 für diese Erdgaskomponenten als Funktion der Flussgeschwindigkeit vx aufgetragen. Die Temperatursumme Ti + T2 für kleine vx (im ungefähren Be- reich 0...20 ml/min, insbesondere 0...5 ml/min) sind deutlich unterscheidbar, da die zugrundeliegenden Wärmeleitfähigkeiten λ (s. Fig. 4) hinreichend unterschiedliche Werte haben. Es genügt also, am herkömmlichen thermischen Durchflusssensor la einfach ein Summensignal der Temperatursen- soren 5a, 5b als Mass für eine Gasart und insbesondere als Diskriminationssignal zur Unterscheidung zwischen einem brennbaren und unbrennbaren oder nicht verrechenbaren Gas 3 zu verwenden. Auch aus dem Temperatursignal des ersten Temperatursensors 5a alleine - und sogar aus dem weniger variierenden Temperatursignal des zweiten Temperatursensors 5b alleine - kann ein gasartabhängiger Wärmekoeffizient λ, c, α bestimmt werden. Insbesondere kann aufgrund des Wärmetransports in Flussrichtung immer bestimmt werden, welcher Temperatursensor 5a, 5b der erste, d. h. stromaufwärts gelegene und welcher der zweite, d. h. stromabwärts gelegene ist. Auch für grössere Flussgeschwindigkeiten vx >> 0 sind die Temperaturkurven Ti + T2 oder i alleine (nicht dargestellt) gasartabhängig und unterscheidbar, da die zugrundeliegenden Diffusivitätswerte α und/oder Wärmekapazitäten cp oder allgemein c unterschiedlich sind. Gemäss der WO 01/18500 können auch, wie eingangs erwähnt, am ruhenden Gas bei konstanter Heizleistung die Wärmeleitfähigkeit λ und separat davon bei gepulster Heizleistung die Wärmekapazität c oder c*p gemes- sen werden. Hierfür wird mindestens zeitweise das Heizmittel mit einer konstanten Heizleistung oder in Form von Heizpulsen betrieben und eine strömungsunabhängige Wärmeleitfähigkeit λ oder Wärmekapazität c gemessen.
Fig. 4 zeigt eine Tabelle mit Wärmekoeffizienten λ, cp, α und spezifischen Dichten p typischer Erdgasbestandteile
Methan, Äthan, Propan, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlen- monoxid (brennbar) und Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser und Helium (unbrennbar) . In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine gemessene Wärmeleitfähigkeit λ auf Übereinstimmung mit einem Wärmeleitfähigkeitswert entsprechend einem Absolutwert von 0,026 W/mK für Stickstoff, Sauerstoff oder Luft, insbesondere 0,0260 W/mK für Stickstoff, 0.0263 W/mK für Sauerstoff oder 0,0261 W/mK für Luft, oder 0,0168 W/mK für Kohlendioxid getestet, wobei eine vorgebbare Toleranz von +10%, bevorzugt +5% und besonders bevorzugt +2% berücksichtigt wird. Bei Überein- Stimmung wird das Gasgemisch 3 als nicht brennbar katego- risiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Massen- oder Normvolumeneinheiten, z. B. 1/min, kalibrierten Skala 8b betrieben. Bei Nichtübereinstimmung wird das Gasgemisch 3 als brennbar kategorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Energieeinheiten, z. B. kWh, kalibrierten Skala 8a betrieben.
Alternativ oder ergänzend wird eine gemessene Wärmekapazität c oder cp mit einem Schwellwert entsprechend einem Absolutwert von 1300 J/kgK verglichen, wobei eine vorgeb- bare Toleranz von ±10%, bevorzugt ±5% und besonders bevorzugt ±2% berücksichtigt wird. Bei Unterschreiten des Schwellwerts wird das Gasgemisch 3 als nicht brennbar kategorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Massen- oder Normvolumeneinheiten kalibrierten Skala 8b betrieben. Bei Überschreiten des Schwellwerts wird das Gasgemisch 3 als brennbar kategorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Energieeinheiten kalibrierten Skala 8a betrieben.
Vorzugsweise wird periodisch geprüft, ob der Gaszähler 1 mit einem brennbaren Gas 3, insbesondere Erdgas, oder mit einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere Stickstoff oder Luft, in Kontakt steht. Mit Vorteil werden auch Messintervalle zur Bestimmung von Sensorsignalen S; Sm, SM, SE bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches 3 gross, insbesondere 1 Minute oder länger, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches 3 klein, insbesondere 10 Sekunden oder kürzer, gewählt. Ein konsumierter Gasenergiebezug kann im Gaszähler 1 aufintegriert werden und bei einer Umschaltung der Kalibration auf Massen- oder Normvolumeneinheiten zwischengespeichert und bei Rückumschaltung auf Energieeinheiten
5 als Startwert verwendet werden. Andererseits kann die Durchflussrate SM bei einer Umschaltung der Kalibration auf Energieeinheiten weiter inkrementiert und insbesondere ausgegeben werden, oder die aufintegrierte Durchflussrate wird zwischengespeichert und insbesondere ausgegeben und o bei Rückumschaltung auf Massen- oder Normvolumeneinheiten als Startwert verwendet oder als Startwert auf Null zurückgesetzt.
Mit Hilfe eines Indikators oder Displays 9 kann angezeigt werden, ob der Gaszähler 1 mit Luft oder Erdgas oder einer 5 Mischung von Luft und Erdgas in Kontakt steht. Desweiteren können durch eine Default-Einstellung des Gaszählers 1 Massen- oder Normvolumeneinheiten angegeben werden und erst bei einem erstmaligen Kontakt mit Nutzgas, insbesondere Erdgas, Energieeinheiten angegeben werden. Auch kann o durch eine Erstinitialisierung des Gaszählers 1, insbesondere bei Montage, die Kalibration automatisch von Massen- oder Normvolumeneinheiten oder Luft auf Energieeinheiten oder Erdgas umgeschaltet werden. Schliesslich kann bei Kontaktnahme mit Luft, Erdgas und wiederum Luft ein Mani- 5 pulationsindikator 10 des Gaszählers 1 aktiviert werden.
Die Erfindung hat auch einen Gaszähler 1 zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Gegenstand. Vorzugsweise haben der thermische Durchflusssensor la und der Gasqualitätssensor la einen identischen Sensoraufbau und 0 sind insbesondere identisch. Im Gaszähler 1 werden dann die Sensorsignalwerte S; Sm, SM, SE und ein Wärmekoeffizient λ, cp/ α des Gasgemisches 3 im selben thermischen Sensor la gemessen, insbesondere in einem CMOS-Anemometer la mit einem Heizdraht 6 und mit mindestens einem strom- 5 aufwärts angeordneten Temperatursensor 5a und optional zusätzlich mit mindestens einem stromabwärts angeordneten Temperatursensor 5b. Der thermische Durchflusssensor la ist als Gasqualitätssensor la betreibbar, wenn eine gemessene Massenflussrate einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet. Alternativ kann der Gasqualitätssensor la in einem Bereich mit konstanter Durchflussrate, insbesondere mit weitgehend ruhendem Gas 3, angeordnet sein.
Gemäss Fig. 1 umfasst der Gaszähler 1: einen Indikator oder ein Display 9 für Gasqualität, insbesondere für Vorhandenseins von Eichgas 3 oder Nutzgas 3, vorzugsweise von Luft, Erdgas oder Luft-Erdgasgemisch; einen Manipulations- indikator 10, der bei wechselnder Kontaktnahme mit einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere Eichgas 3, einem brennbaren Gas oder Nutzgas 3 und wiederum einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere einem Umgebungsgas 3, aktivierbar ist; eine Mess- und Auswerteeinheit 7 zur Bestim- mung von Energieverbrauchswerten (SE) und/oder Massendurch- flusswerten SM; und vorzugsweise separate Datenspeicher 7b, 7c zur Speicherung von Energieverbrauchswerten SE und von Massendurchflusswerten oder Normvolumenflusswerten SM. Die Recheneinheit 7a umfasst auch einen Datenspeicher für be- kannte Wärmekoeffizienten λ, cp, α, Dichten p oder Viskositäten η bekannter Gase sowie Rechenmittel zum Vergleich von gemessenen mit gespeicherten oder aus Speicherwerten interpolierten Wärmekoeffizienten λ, cp, , Dichten p oder Viskositäten η sowie Rechenmittel zur Bestimmung des Gas- gemisches 3 als brennbar bzw. verrechenbar oder unbrennbar bzw. nicht verrechenbar.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Gaszähler la thermischer Massenflusssensor, CMOS-Sensor lb Membran 2 Strömungskanal, Rohr
3 Gas; Erdgas, Eichgas, Kalibriergas
4 Strδmungsprofil
5a, 5b erster, zweiter Temperatursensor, Thermoelemente
6 Heizelement, Heizdraht 7 Mess- und Auswerteeinheit
7a Recheneinheit
7b Datenspeicher für Energieverbrauchswerte
7c Datenspeicher für Durchflusswerte
8 Signalausgabe, Display 8a Skala in Massen-/Normvolumeneinheiten kalibriert
8b Skala in Energieeinheiten kalibriert
9 Gasqualitätsindikator, Display
10 Manipulationsindikator, Display CH Erdgas, Basis-Gasgemisch f-12-cH Korrekturfaktor für Sensorsignal
F(S) Sensoreichkurve
HH Heizwert, Brennwert λ Wärmeleitfähigkeit c, cp spezifische Wärmekapazität p Dichte α Diffusivität η Viskosität
5 Sensorsignal
Sm Massenfluss (raten) signal für Eichgas oder Kali- briergas
SM Massenfluss (raten) signal für Basis-Gasgemisch
SE Energiewertsignal
Ti, T2 Temperaturen v, vx Flussgeschwindigkeit dV/dT Volumendurchflussrate

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Messen eines Gasverbrauchs mittels eines Gaszählers (1) , insbesondere zum Messen eines verrechenbaren Gasenergiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei vom Gaszähler (1) mit Hilfe eines thermischen Durchflusssensors (la) zu einer Durchflussrate proportionale Sensorsignale (S) bestimmt werden und die Sensorsignale (S) aufgrund einer Kalibration des Gaszählers (1) als Energiemess- gerät als Energiewertsignale (SE) ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) vom Gaszähler (1) eine .Gasart insoweit bestimmt wird, dass ein nicht brennbares Gasgemisch (3) von einem brennbaren Gasgemisch (3) unterschieden wird und b) der Gaszähler (1) bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches (3) mit einer Kalibration in Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches (3) mit einer Kalibration in Energieeinheiten (kWh) betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) mit Hilfe eines, thermischen Gasqualitätssensors (la) mindestens ein gasartabhängiger Parameter
(λ, c, α, η) des Gasgemisches (3) , insbesondere ein Wärmekoeffizient (λ, c, ) wie z. B. eine Wärmeleitfähigkeit (λ) und/oder Wärmekapazität (c) , bestimmt wird und b) durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters (λ, c, α, η) für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch (3) als brennbar oder nicht brennbar identifiziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) und der Gasqualitätssensor (la) einen identischen Sensoraufbau haben, wobei das Gasgemisch (3) über einen ersten
Temperatursensor (5a) , ein Heizelement (6) und einen zweiten Temperatursensor (5b) geführt wird und b) aus einer Differenz von Temperatursignalen der Temperatursensoren (5a, 5b) ein Massenflusssignal (SM) und aus einer Summe der Temperatursignale (Tx+T2) oder aus dem Temperatursignal des ersten Temperatursensors (5a) alleine ein gasartabhängiger Wärmekoeffizient (λ, c, α) bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass a) eine gemessene Wärmeleitfähigkeit (λ) auf Übereinstimmung mit einem Wärmeleitfähigkeitswert entsprechend einem Absolutwert von 0,026 W/mK für Stickstoff, Sauerstoff oder Luft, insbesondere 0,0260 W/mK für Stickstoff, 0.0263 W/mK für Sauerstoff oder 0,0261 W/mK für Luft, oder 0,0168 W/mK für Kohlendioxid getestet wird, wobei eine vorgebbare Toleranz von +10%, bevorzugt ±5% und besonders bevorzugt +2% berücksichtigt wird, b) bei Übereinstimmung das Gasgemisch (3) als nicht brennbar kategorißiert wird und eine Signalausgabe
(8) des Gaszählers (1) mit einer in Massen- oder
Normvolumeneinheiten (1/min) kalibrierten Skala
(8b) betrieben wird und c) bei Nichtübereinstimmung das Gasgemisch (3) als brennbar kategorisiert wird und eine Signalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Energieeinheiten (kWh) kalibrierten Skala (8a) betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine gemessene Wärmekapazität (c) mit einem Schwellwert entsprechend einem Absolutwert von 1300 J/kgK verglichen wird, wobei eine vorgebbare Toleranz von +10%, bevorzugt +5% und besonders bevorzugt +2% berücksichtigt wird, b) bei Unterschreiten des Schwellwerts das Gasgemisch
(3) als nicht brennbar kategorisiert wird und eine Signalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) kalibrierten Skala (8b) betrieben wird und c) bei Überschreiten des Schwellwerts das Gasgemisch
(3) als brennbar kategorisiert wird und eine Sig- nalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Energieeinheiten (kWh) kalibrierten Skala (8a) betrieben wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) periodisch geprüft wird, ob der Gaszähler (1) mit einem brennbaren Gas (3) , insbesondere Erdgas, oder mit einem nicht brennbaren Gas (3), insbesondere
Stickstoff oder Luft, in Kontakt steht und/oder b) Messintervalle zur Bestimmung von Sensorsignalen (S) bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches (3) grpss, insbesondere 1 Minute oder länger, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches (3) klein, insbesondere 10 Sekunden oder kürzer, gewählt werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konsumierter Gas- energiebezug im Gaszähler (1) aufintegriert wird und bei einer Umschaltung der Kalibration auf Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) zwischengespeichert und bei Rückumschaltung auf Energieeinheiten (kWh) als Startwert verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate (SM) in Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) im Gaszähler (1) aufintegriert wird und a) die Durchflussrate (SM) bei einer Umschaltung der Kalibration auf Energieeinheiten (kWh) weiter inkrementiert und insbesondere ausgegeben wird oder b) die aufintegrierte Durchflussrate zwischengespeichert und insbesondere ausgegeben wird und bei Rückumschaltung auf Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) als Startwert verwendet wird oder als Startwert auf Null zurückgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) mit Hilfe eines Indikators oder Displays (9) angezeigt wird, ob der Gaszähler (1) mit Luft oder Erdgas oder einer Mischung von Luft und Erdgas in Kontakt steht und/oder b) durch eine Default-Einstellung des Gaszählers (1) Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) angegeben werden und erst bei einem erstmaligen Kontakt mit Nutzgas, insbesondere Erdgas, Energieeinheiten (kWh) angegeben werden und/oder c) durch eine Erstinitialisierung des Gaszählers (1) , insbesondere bei Montage, die Kalibration automatisch von Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) oder Luft auf Energieeinheiten (kWh) oder Erdgas umgeschaltet wird und/oder d) bei Kontaktnahme mit Luft, Erdgas und wiederum Luft ein Manipulationsindikator (10) des Gaszählers (1) aktiviert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kalibration des Gaszählers (1) als Energiemessgerät Sensorsignale (S) in Abhängigkeit der Durchflussrate eines Eichgases (3) bestimmt und in Form einer Sensoreichkurve (F(S)) im Gas- zähler (1) gespeichert werden, wobei die Sensoreichkurve (F(S)) mit einem Signal-Umrechnungsfaktor (f-12-cH) und mit einem Heizwertfaktor (HCH) für ein Basis- Gasgemisch (CH) korrigiert wird und das erhaltene Produkt einen Gasverbrauch in der Energieeinheit (kWh) oder einer Leistungseinheit angibt.
11. Gaszähler (1) zum Messen eines Gasverbrauchs gemäss einem der vorangehenden Ansprüche.
12. Gaszähler (1) zum Messen eines Gasverbrauchs, insbeson- dere eines verrechenbaren Gasenergiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei der Gaszähler (1) einen thermischen Durchflusssensor (la) aufweist und als Energiemessgerät in Energieeinheiten (kWh) kalibriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Gaszähler (1) zusätzlich als Massenflussmeter in Massen- oder Normvolumeneinheiten (1/min) kalibriert ist, b) der Gaszähler (1) einen Gasqualitätssensor (la) aufweist, der ein Diskriminationssignal, insbeson- dere einen gasartabhängigen Parameter (λ, c, α, η) , zur Unterscheidung eines brennbaren Gasgemisches (3) von einem nicht brennbaren Gasgemisch (3) erzeugt, und c) der Gaszähler (1) aufgrund des Diskriminations- signals zwischen einem Betrieb als Energiemessgerat oder als Massenflussmeter umschaltbar ist.
13. Gaszähler (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) und der Gas- qualitätssensor (la) einen identischen Aufbau haben und/oder b) der thermische Durchflusssensor (la) und/oder der Gasqualitätssensor (la) CMOS-Anemometer (la) mit einem Heizdraht (6) und stromaufwärts und ström- abwärts angeordneten Temperatursensoren (5a, 5b) sind.
14. Gaszähler (1) nach einem der Ansprüche 12-13, dadurch gekennzeichnet, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) als Gasqualitätssensor (la) betreibbar ist, wenn eine gemessene Massenflussrate einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet oder b) der Gasqualitätssensor (la) in einem Bereich mit konstanter Durchflussrate, insbesondere mit weitgehend ruhendem Gas (3), angeordnet ist.
15. Gaszähler (1) nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Gaszähler (1) einen Indikator oder ein Display (9) für Gasqualität, insbesondere für Vorhandenseins von Eichgas (3) oder Nutzgas (3) , vorzugsweise von Luft, Erdgas oder Luft-Erdgasgemisch, aufweist und/oder b) der Gaszähler (1) einen Manipulationsindikator (10) aufweist, der bei wechselnder Kontaktnahme mit einem nicht brennbaren Gas (3) , insbesondere Eichgas
(3) , einem brennbaren Gas oder Nutzgas (3) und wiederum einem nicht brennbaren Gas (3) , insbesondere einem Umgebungsgas (3) , aktivierbar ist und/oder c) der Gaszähler (1) eine Mess- und Auswerteeinheit
(7) zur Bestimmung von Energieverbrauchswerten (SE) und/oder Massendurchflusswerten (SM) aufweist und/oder d) der Gaszähler (1) separate Datenspeicher (7b, 7c) zur Speicherung von Energieverbrauchswerten (SE) und von Massendurchflusswerten oder Normvolumen- flusswerten (SM) aufweist.
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