WO2008113375A1 - Method and device for measuring flow velocities - Google Patents

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WO2008113375A1
WO2008113375A1 PCT/EP2007/002358 EP2007002358W WO2008113375A1 WO 2008113375 A1 WO2008113375 A1 WO 2008113375A1 EP 2007002358 W EP2007002358 W EP 2007002358W WO 2008113375 A1 WO2008113375 A1 WO 2008113375A1
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WO
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determined
calibration
hot wire
medium
electrical impedance
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Application number
PCT/EP2007/002358
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Kurt Dirk Bettenhausen
Wolfgang Ens
Herbert Grieb
Peter Hauptmann
Robert Schäfer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01P5/12Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Definitions

  • the invention relates to a method and a device operating according to the method for measuring flow velocities and as such a device, in particular a so-called hot-wire anemometer. Specifically, the invention relates to a method of calibrating such a device as well as to an apparatus in which such a calibration is provided. After calibration, both the method and the device work with the calibration found, so that insofar as the invention as a whole also relates, as stated above, to a method and a device for measuring flow velocities which operates according to the method.
  • Hot wire anemometers are known per se. Therein, a hot wire is arranged as a heating element whose temperature-dependent electrical resistance or its thermally induced change in length is used to measure physical variables, in particular mass flow, flow velocity, etc. Mass flow and flow rate are used in the present application as synonymous terms. However, it is clear to the person skilled in the art that the mass flow over the density and the flow cross section is related to the flow velocity. For calibration and operation of an anemometer, therefore, a uniform choice of the respective relevant physical quantity mass flow or flow velocity is required.
  • the amount of heat dissipated by convection depends on a flowing medium - hereinafter also referred to as material - both its flow velocity and its material properties, in particular specific heat capacity, density, viscosity, etc., from.
  • material - both its flow velocity and its material properties, in particular specific heat capacity, density, viscosity, etc.
  • a precise mass Current measurement accordingly requires a suitable calibration for such material properties. This is laborious because until now an individual calibration was required for each substance to be measured.
  • calibration data in tables or the like is available only for individual, known substances; for unknown connections, such values must be determined. At each change of a material to be detected by the device, the calibration data must also be updated.
  • the hot wire is heated in accordance with a predetermined or predeterminable heating curve and an associated electrical impedance Z e , (s) determined from a supply current I (s) and a voltage U (s) across the hot wire.
  • Z e electrical impedance
  • the system responses obtained in this way allow a statement on the effect of certain substances at certain flow velocities on the respective convection at the heat wire and thus allow a calibration of the device with respect to device-independent, ie in particular anemometer independent, substance-specific influencing factors. Accordingly, this first form of calibration is also referred to as base calibration.
  • a sufficiently determined equation system is formed on the basis of the parameters resulting for the majority of the media, flow velocities m and the measured values for the electrical impedance Z el (s), and a coefficient matrix A is determined therefrom.
  • the basic calibration supplies data in the form of a coefficient matrix A which, in brief, comprises a description of the substance properties previously stored in tables or the like for a plurality of different substances, ie the calibration instrument-independent calibration data.
  • a particular advantage of the invention with regard to the basic calibration is that the description of material properties available in the coefficient matrix A is no longer individual substances but characteristics (characteristic curves) which depend on the convection and the individual Represent material properties, acts.
  • characteristics characteristics which depend on the convection and the individual Represent material properties
  • a calibration referred to below as operating calibration is concerned.
  • a method for operating calibration a method according to the method outlined above and further described below is already (pre-) calibrated and to that extent a device provided with a coefficient matrix embossed in a device known per se in a manner known per se, eg a hot wire anemometer acting as a mass flow meter, that a relationship between a metrologically determined electrical impedance Z el (s) and an operational thermal impedance Z therm ⁇ s) of the hot wire is modeled by a transmission factor ⁇ (s).
  • the device For operating calibration, the device is then subjected to a predetermined or predeterminable flow rate m with a medium known with regard to its material properties x (s).
  • a predetermined or predeterminable flow rate m with a medium known with regard to its material properties x (s).
  • the electrical impedance Z el (s) and the electrical impedance Z el (s) and the known parameters material properties x (s) flow velocity m of Transmission factor ⁇ (s) are determined.
  • the transfer factor ⁇ ⁇ s) describes device-dependent, ie in particular anemometer-dependent, influencing factors on the measurement result.
  • the calibration of the operation is very fast and easy to carry out at any time on site.
  • the calibration of the operation presupposes comparatively complex basic calibration, which, however, has to be carried out only once for a particular group of substances and not in relation to a specific measuring device or a group of measuring devices.
  • the results of the basic calibration can be used universally for any measuring device and the operating calibration provides, as it were, the adaptation of the basic calibration to the respective measuring device.
  • the coefficient matrix A and the transmission factor ⁇ (s) calibrated devices, ie in particular anemometer, are now ready for use at a specific site.
  • the coefficient matrix A also permits, without recalibration, a measurement of previously non-empirically detected substances, provided that such substance properties are detected by "interpolation" of the characteristics described by the coefficient matrix A.
  • Transmission factor ⁇ ⁇ s) takes into account the special features of individual measuring devices, eg the length of the hot wire, which always varies at least to a small extent between different measuring devices of the same series.
  • the coefficient matrix A with a numerical estimation method, e.g. Ordinary Least Squares (OLS),
  • OLS Ordinary Least Squares
  • PCR Principle Component Regression
  • PLS Partial Least Squares
  • FIG. 1 shows a schematically simplified schematic representation of a hot wire anemometer and Figure 2 shows another, also schematically simplified representation of a hot wire anemometer.
  • FIG. 1 shows a schematically simplified schematic representation of a hot wire anemometer 10 as an example of a device for measuring flow velocities or mass flows.
  • the hot wire anemometer 10 comprises a hot wire 12 (FIG. 2) which is fed by a current source 14 with a current I (s) (the transformer shown in FIG. 1, also designated by the reference numeral 12, is not with the hot wire 12, but merely represents its electrical behavior as a function of the thermal impedance acting: from the electrical side, ie in the sense of an equivalent circuit diagram, the hot wire 12 thus corresponds more to the totality of thermal impedance transducers.
  • a voltage U (s) drops across the hot wire 12.
  • FIG 2 shows the hot wire anemometer 10 with some further details.
  • the hot wire 12 is arranged in a volume, for example a tube 16.
  • the tube 16 is in operation of a medium, not shown separately but only illustrated by the block arrow 18, flows through.
  • the medium also passes through the hot wire 12.
  • x (s) of the medium eg heat capacity, etc.
  • the hot wire 12 releases heat generated by the flow of current to the medium.
  • the resulting temperature drop influenced can be expressed in the resistance of the Hitz ⁇ wire 12 above the wire Hitz ⁇ by the quotient of 12 sloping in a known manner voltage U (s) and supply current I (s).
  • the hot wire anemometer 10 includes a STEU ⁇ er réelle 20, which in turn comprises a power source 14 (FIG 1) comprising the power unit 22, a processing device, in particular a processor 24, or the like, and a memory 26th
  • the power unit 22 includes not only the power source 14 but also known means for measuring the falling over the hot wire 12 voltage U (s).
  • the amount of heat removed by convection from the hot-wire 12 to the mass flow measurement is transferred to a medium, e.g. a gas flowing past the hot-wire, evaluated.
  • the dissipated heat quantity depends both on a flow velocity m of the medium and on its material properties x (s) (specific heat capacity, density, viscosity, etc.). Precise mass flow measurement requires calibration for the properties of the material.
  • a base calibration and an operating calibration are provided, wherein only the operating calibration is specific to the respective hot wire anemometer 10 and the base calibration is basically usable for a wide variety of hot wire anemometers 10.
  • a basically arbitrary hot-wire anemometer 10 is subjected in succession to a plurality of media known with regard to their material properties x (s) and through each medium to a multiplicity of predetermined or predefinable flow velocities m.
  • the hot wire 12 becomes one predetermined or predetermined heating curve (not shown) heated and an associated electrical impedance Z el (s) from the supply current I (s) and the falling over the hot wire 12 voltage U (s) determined.
  • the heating curve can be stored in the memory 26 and is "driven off” by appropriate variation of the supply current I (s) by the power unit 22 under the control of the processor 24.
  • flow velocities m and the measured values for the electrical impedance Z el (s) resulting parameters can be set up a sufficiently specific system of equations, based on which a coefficient matrix A can be determined.
  • Equation [1] denotes the electrical impedance Z d (s), U the voltage U (s) dropping across the hot wire 12 and / or the supply current I (s).
  • Z denotes the electrical impedance Z d (s)
  • U the voltage U (s) dropping across the hot wire 12 and / or the supply current I (s).
  • I the supply current
  • the part multiplied by the part of the equation [1] denoted by [Ia] yields the part designated by [Ib], where the sizes are written as matrices.
  • the multidimensionality of the respective variables thus expressed results, for example, from the fact that for the base calibration, as described above, a plurality of known media and each medium having a plurality of predetermined or predeterminable flow velocities rh are successively selected with respect to their material properties x (s) is used. Under this assumption, the row vector [ab] becomes a matrix hereinafter referred to as the coefficient matrix A. This contains the coefficients a or ⁇ used to describe the influence of the different flow velocities rh and material properties x (s).
  • Production-related variances are determined by individual ⁇ (s) determined as part of an operating calibration.
  • a ⁇ (s) is determined for each measuring device.
  • the measuring device is acted upon with a reference medium, that is to say a medium with known material properties x (s), with a predetermined or predeterminable flow velocity m.
  • both m and x (s) correspond in value to at least one element of the matrix ⁇ used for the basic calibration (the operating calibration can also be carried out for several elements of ⁇ , but at least for one element of ⁇ ) ,
  • the change in the transmission behavior manifests itself in a transmission factor ⁇ ⁇ s) in the present case in the case of operating calibration compared to a transmission factor ⁇ ref (s) in the case of basic calibration.
  • Equation [4] applies to any substances, insofar as the material properties x (s) lie within the range of the base calibration covered by A (interpolation). This opens up the advantage of this method, since a recalibration is not required in this case.
  • control unit 20 with processor 24 and memory 26 was shown schematically simplified in FIG.
  • the functionality of the device results from a software implementation of the described method according to the invention or a preferred embodiment which may be stored in the memory 26.
  • the control unit 20 executes the method by means of the processor 24.
  • the invention relates to a method and a device for measuring flow velocities, wherein a device-independent basic calibration is carried out, with which coefficients are determined that have an influence of variables, With where the device is exposed during the measurement, such as characteristics of the flowing medium and flow velocity, and wherein a device-specific operating calibration is performed to operate the device, with a device-specific transmission factor is determined, wherein in operation of the device due to the reputation of the device-independent coefficients and of the device-specific transmission factor, no further calibration is necessary, even if the medium is changed.

Abstract

The invention relates to a method and a device operating according to said method for measuring flow velocities. A basic calibration is performed independently of the device, by means of which coefficients are determined that represent an influence of variables to which the device is subjected during measurement, for example, properties of the flowing medium and flow velocity. For operating the device, a device-specific operational calibration is performed, wherein a device-specific transmission factor is determined. Thus, during operation of the device, no further calibration, even when changing the medium, is necessary, due to the device-independent coefficients and the device-specific transmission factors being known.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von StrömungsgeschwindigkeitenMethod and device for measuring flow velocities
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und als eine solche Vorrichtung insbesondere ein so genanntes Hitzdrahtanemometer. Speziell bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Kalibrierung solcher Vorrichtung sowie auf eine Vorrichtung, bei der eine solche Kalibrierung vorgesehen ist. Nach der Kalibrierung arbeitet sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung mit der gefundenen Kalibrierung, so dass insoweit die Erfindung sich auch insgesamt - wie oben angegeben - auf ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bezieht .The invention relates to a method and a device operating according to the method for measuring flow velocities and as such a device, in particular a so-called hot-wire anemometer. Specifically, the invention relates to a method of calibrating such a device as well as to an apparatus in which such a calibration is provided. After calibration, both the method and the device work with the calibration found, so that insofar as the invention as a whole also relates, as stated above, to a method and a device for measuring flow velocities which operates according to the method.
Hitzdrahtanemometer sind an sich bekannt. Darin ist als Heiz- element ein Hitzdraht angeordnet, dessen temperaturabhängiger elektrischer Widerstand oder dessen thermisch bedingte Längenänderung zur Messung von physikalischen Größen, insbesondere Massenstrom, Strömungsgeschwindigkeit, etc., verwendet wird. Massenstrom und Strömungsgeschwindigkeit werden in der vorliegenden Anmeldung als synonyme Begriffe verwendet. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass der Massefluss über die Dichte und den Strömungsquerschnitt mit der Strömungsgeschwindigkeit zusammenhängt. Zur Kalibrierung und zum Betrieb eines Anemometers ist daher eine einheitliche Wahl der je- weils interessierenden physikalischen Größe Massefluss oder Strömungsgeschwindigkeit erforderlich .Hot wire anemometers are known per se. Therein, a hot wire is arranged as a heating element whose temperature-dependent electrical resistance or its thermally induced change in length is used to measure physical variables, in particular mass flow, flow velocity, etc. Mass flow and flow rate are used in the present application as synonymous terms. However, it is clear to the person skilled in the art that the mass flow over the density and the flow cross section is related to the flow velocity. For calibration and operation of an anemometer, therefore, a uniform choice of the respective relevant physical quantity mass flow or flow velocity is required.
Bei den o.g. Vorrichtungen, also insbesondere Hitzdrahtanemometern, hängt die durch Konvektion abgeführte Wärmemenge an ein strömendes Medium - im Folgenden auch als Stoff bezeichnet - sowohl von dessen Strömungsgeschwindigkeit als auch von dessen Stoffeigenschaften, insbesondere spezifische Wärmekapazität, Dichte, Viskosität, usw., ab. Eine präzise Massen- Strommessung erfordert entsprechend eine geeignete Kalibrierung auf solche Stoffeigenschaften. Dies ist aufwändig, da für jeden zu messenden Stoff bisher eine individuelle Kalibrierung erforderlich war. Zudem sind nur für einzelne, be- kannte Stoffe Kalibrierdaten in Tabellenwerken oder dergleichen vorhanden; für unbekannte Verbindungen müssen solche Werte bestimmt werden. Bei jedem Wechsel eines von der Vorrichtung zu erfassenden Stoffs müssen die Kalibrierdaten zudem noch aktualisiert werden.In the above-mentioned devices, ie in particular hot-wire anemometers, the amount of heat dissipated by convection depends on a flowing medium - hereinafter also referred to as material - both its flow velocity and its material properties, in particular specific heat capacity, density, viscosity, etc., from. A precise mass Current measurement accordingly requires a suitable calibration for such material properties. This is laborious because until now an individual calibration was required for each substance to be measured. In addition, calibration data in tables or the like is available only for individual, known substances; for unknown connections, such values must be determined. At each change of a material to be detected by the device, the calibration data must also be updated.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der oben genannten Art und eine nach dem Verfahren arbeitende derartige Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. bei der die oben genannten Nachteile vermieden werden oder hinsichtlich ihrer Auswirkungen reduziert sind.Accordingly, it is an object of the invention to provide a method of operating a device of the above mentioned type and a device operating in accordance with the method, with which the abovementioned disadvantages are avoided or reduced in terms of their effects.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, soweit eine im Folgenden als Basiskalibrie- rung bezeichnete Kalibrierung betroffen ist. Dazu ist bei einem Verfahren zur Basiskalibrierung einer Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen von der Vorrichtung umfassten, durch eine Stromquelle ge- speisten Hitzdraht vorgesehen, dass im Rahmen des Verfahrens die Vorrichtung, also z.B. ein als Massestrommessgerät fungierendes Hitzdrahtanemometer, mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird. Des Weiteren wird für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht entsprechend einer vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Ze,(s) aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht abfallenden Spannung U(s) bestimmt. Die auf diese Weise erhaltenen Systemantworten gestatten eine Aussage zur Wirkung bestimmter Stoffe bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten auf die jeweilige Konvektion am Hitz- draht und ermöglichen damit eine Kalibrierung der Vorrichtung in Bezug auf vorrichtungsunabhängige, also insbesondere anemometerunabhängige, stoffspezifische Einflussfaktoren. Entsprechend wird diese erste Form der Kalibrierung auch als Ba- siskalibrierung bezeichnet. Dazu werden abschließend anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Zel(s) ergebenden Parameter ein ausreichend bestimmtes Glei- chungssystem gebildet und daraus eine Koeffizientenmatrix A ermittelt. Die Basiskalibrierung liefert Daten in Form einer Koeffizientenmatrix A , die - kurz gefasst - eine Beschreibung der bisher in Tabellenwerken oder dergleichen vorgehaltenen Stoffeigenschaften für eine Mehrzahl verschiedener Stoffe umfasst, also die messgerätunabhängigen Kalibrierungs- daten.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1, insofar as a calibration referred to below as basic calibration is concerned. For this purpose, in a method for basic calibration of a device for measuring flow velocities by evaluating the effect of convection of a flowing medium on a device covered by, fed by a power source hot-wire provided that in the context of the method, the device, eg as a Mass flow measuring device acting hot-wire anemometer, with a plurality of known with respect to their material properties x (s) media and by each medium with a plurality of predetermined or predetermined flow velocities m is applied. Furthermore, for each medium and flow velocity m, the hot wire is heated in accordance with a predetermined or predeterminable heating curve and an associated electrical impedance Z e , (s) determined from a supply current I (s) and a voltage U (s) across the hot wire. The system responses obtained in this way allow a statement on the effect of certain substances at certain flow velocities on the respective convection at the heat wire and thus allow a calibration of the device with respect to device-independent, ie in particular anemometer independent, substance-specific influencing factors. Accordingly, this first form of calibration is also referred to as base calibration. For this purpose, a sufficiently determined equation system is formed on the basis of the parameters resulting for the majority of the media, flow velocities m and the measured values for the electrical impedance Z el (s), and a coefficient matrix A is determined therefrom. The basic calibration supplies data in the form of a coefficient matrix A which, in brief, comprises a description of the substance properties previously stored in tables or the like for a plurality of different substances, ie the calibration instrument-independent calibration data.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung hinsichtlich der Basiskalibrierung besteht darin, dass es sich bei der in der Koef- fizientenmatrix A verfügbaren Beschreibung von Stoffeigen- Schäften nunmehr nicht länger um einzelne Stoffe, sondern um Charakteristiken (Kennlinien) , die eine Abhängigkeit zwischen der Konvektion und einzelnen Stoffeigenschaften repräsentieren, handelt. Somit kann prinzipiell auch in a priori unbekannten Stoffen ohne die Notwendigkeit einer erneuten Kalib- rierung in Bezug auf den jeweiligen Stoff exakt gemessen werden; die durch die Koeffizientenmatrix A und die davon um- fassten Modellkoeffizienten beschriebenen Kennlinien erlauben also eine „Interpolation", wenn ein Stoff untersucht wird, der hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften „zwischen" solchen Stoffen anzusiedeln ist, die bei der Ermittlung der Koeffi- zientenmatrix A zugrunde gelegt wurden.A particular advantage of the invention with regard to the basic calibration is that the description of material properties available in the coefficient matrix A is no longer individual substances but characteristics (characteristic curves) which depend on the convection and the individual Represent material properties, acts. Thus, in principle, even in a priori unknown substances can be measured exactly without the need for a renewed calibration with respect to the respective substance; the characteristic curves described by the coefficient matrix A and the model coefficients encompassed thereby permit an "interpolation" when a substance is investigated which, with regard to its substance properties, is to be located "between" those substances which are used in the determination of the coefficient matrix A. were.
Die o.g. Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst, soweit eine im Folgenden als Be- triebskalibrierung bezeichnete Kalibrierung betroffen ist. Dazu ist bei einem Verfahren zur Betriebskalibrierung einer entsprechend dem oben skizzierten und nachfolgend weiter beschriebenen Verfahren bereits (vor-) kalibrierten und insoweit mit einer z.B. in an sich bekannter Art und Weise in einem der Vorrichtung zugeordneten Speicher eingeprägten Koeffi- zientenmatrix A versehenen Vorrichtung, also z.B. ein als Massestrommessgerät fungierendes Hitzdrahtanemometer, vorge- sehen, dass eine Beziehung zwischen einer messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Zel(s) und einer im Betrieb wirkenden thermischen Impedanz Ztherm{s) des Hitzdrahts durch einen Übertragungsfaktor φ(s) modelliert wird. Zur Betriebskalibrierung wird die Vorrichtung dann mit einem hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medium mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt. Damit kann aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht abfallenden Spannung U(s) die elektrische Impedanz Zel(s) und mit der elektrischen Impedanz Zel(s) und den bekannten Parametern Stoffeigenschaften x(s) Strömungsgeschwindigkeit m der Übertragungsfaktor φ(s) ermittelt werden. Der Übertragungsfaktor φ{s) beschreibt vorrichtungsabhängige, also insbesondere anemometerabhängige, Einflussfaktoren auf das Messergebnis. Die Betriebskalibrierung ist sehr schnell und ohne weiteres auch jederzeit vor Ort durchzuführen. Die Betriebskalibrierung setzt eine im Vergleich dazu vergleichsweise aufwendige Basiskalibrierung voraus, die allerdings für eine bestimmte Gruppe von Stoffen nur einmal und auch nicht in Bezug auf eine bestimmte Messvorrichtung oder eine Gruppe von Messvorrichtungen durchgeführt werden muss.The above object is achieved according to the invention with the features of claim 3, as far as a calibration referred to below as operating calibration is concerned. For this purpose, in a method for operating calibration, a method according to the method outlined above and further described below is already (pre-) calibrated and to that extent a device provided with a coefficient matrix embossed in a device known per se in a manner known per se, eg a hot wire anemometer acting as a mass flow meter, that a relationship between a metrologically determined electrical impedance Z el (s) and an operational thermal impedance Z therm {s) of the hot wire is modeled by a transmission factor φ (s). For operating calibration, the device is then subjected to a predetermined or predeterminable flow rate m with a medium known with regard to its material properties x (s). Thus, from a supply current I (s) and a falling over the hot wire voltage U (s), the electrical impedance Z el (s) and the electrical impedance Z el (s) and the known parameters material properties x (s) flow velocity m of Transmission factor φ (s) are determined. The transfer factor φ {s) describes device-dependent, ie in particular anemometer-dependent, influencing factors on the measurement result. The calibration of the operation is very fast and easy to carry out at any time on site. The calibration of the operation presupposes comparatively complex basic calibration, which, however, has to be carried out only once for a particular group of substances and not in relation to a specific measuring device or a group of measuring devices.
Die Ergebnisse der Basiskalibrierung sind für beliebige Messvorrichtungen universell verwendbar und die Betriebskalibrierung liefert gleichsam die Adaption der Basiskalibrierung an die jeweilige Messvorrichtung.The results of the basic calibration can be used universally for any measuring device and the operating calibration provides, as it were, the adaptation of the basic calibration to the respective measuring device.
Mit der Koeffizientenmatrix A und dem Übertragungsfaktor φ(s) kalibrierte Vorrichtungen, also insbesondere Anemometer, sind jetzt für die Verwendung an einem konkreten Einsatzort vorbereitet. Die Koeffizientenmatrix A gestattet - ohne Neu- kalibrierung - auch eine Messung bisher nicht empirisch er- fasster Stoffe unter der Voraussetzung, dass derartige Stoffeigenschaften durch „Interpolation" von den durch die Koeffi- zientenmatrix A beschriebenen Kennlinien erfasst werden. Der Übertragungsfaktor φ{s) berücksichtigt Besonderheiten einzelner Messvorrichtungen, z.B. die zwischen verschiedenen Messvorrichtungen selbst der gleichen Baureihe immer zumindest in geringem Maße variierende Länge des Hitzdrahts.With the coefficient matrix A and the transmission factor φ (s) calibrated devices, ie in particular anemometer, are now ready for use at a specific site. The coefficient matrix A also permits, without recalibration, a measurement of previously non-empirically detected substances, provided that such substance properties are detected by "interpolation" of the characteristics described by the coefficient matrix A. Transmission factor φ {s) takes into account the special features of individual measuring devices, eg the length of the hot wire, which always varies at least to a small extent between different measuring devices of the same series.
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich anhand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.Advantages and details emerge from the subclaims. This used backlinks point to the further development of the subject matter of the main claim by the features of the respective subclaim; they should not be construed as a waiver of obtaining independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims. Furthermore, with a view to an interpretation of the claims in a closer specification of a feature in a subordinate claim, it is to be assumed that such a restriction does not exist in the respective preceding claims.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist danach z.B. vorgesehen, dass die Koeffizientenmatrix A mit einem numeri- sehen Schätzverfahren, z.B. Ordinary Least Squares (OLS),According to a preferred embodiment, thereafter e.g. provided that the coefficient matrix A with a numerical estimation method, e.g. Ordinary Least Squares (OLS),
Principle Component Regression (PCR), Partial Least Squares (PLS), usw., ermittelt wird. Im praktischen Einsatz wird zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m der im Rahmen der Betriebskalibrierung ermittelte Übertragungsfaktor φ(s) zugrunde gelegt.Principle Component Regression (PCR), Partial Least Squares (PLS), etc., is determined. In practical use, the determination of the flow velocity m is based on the transmission factor φ (s) determined in the context of the operating calibration.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, das nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprü- chen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Hereinafter, an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, which is not to be understood as limiting the invention. Rather, numerous modifications and variations are possible within the scope of the present disclosure, in particular those variants and combinations, for example, by combination or modification of individual described in conjunction with the general or specific description part and in the claims and / or the drawing Characteristics or elements or method steps for the expert with regard to the solution of the problem can be removed and by combinable features to a new object or new Procedural steps or procedural steps lead, even if they concern testing and work procedures. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
Darin zeigenShow in it
FIG 1 eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung eines Hitzdrahtanemometers und FIG 2 eine weitere, ebenfalls schematisch vereinfachte Darstellung eines Hitzdrahtanemometers.1 shows a schematically simplified schematic representation of a hot wire anemometer and Figure 2 shows another, also schematically simplified representation of a hot wire anemometer.
FIG 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung eines Hitzdrahtanemometers 10 als Beispiel für eine Vorrich- tung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten oder Masseflüssen. Das Hitzdrahtanemometer 10 umfasst einen Hitzdraht 12 (FIG 2), der von einer Stromquelle 14 mit einem Strom I(s) gespeist wird (der in FIG 1 dargestellte Übertrager, dessen einer Teil ebenfalls mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist, ist nicht mit dem Hitzdraht 12 gleichzusetzen, sondern repräsentiert lediglich dessen elektrisches Verhalten in Abhängigkeit von der wirkenden thermischen Impedanz; von der elektrischen Seite, also im Sinne eines Ersatzschaltbildes, entspricht der Hitzdraht 12 also eher der Gesamtheit von Über- trager thermischer Impedanz) . Über dem Hitzdraht 12 fällt im Betrieb eine Spannung U(s) ab. Mit diesen beiden Größen kann eine elektrische Impedanz Zel(s) des Hitzdrahts 12 ermittelt werden.1 shows a schematically simplified schematic representation of a hot wire anemometer 10 as an example of a device for measuring flow velocities or mass flows. The hot wire anemometer 10 comprises a hot wire 12 (FIG. 2) which is fed by a current source 14 with a current I (s) (the transformer shown in FIG. 1, also designated by the reference numeral 12, is not with the hot wire 12, but merely represents its electrical behavior as a function of the thermal impedance acting: from the electrical side, ie in the sense of an equivalent circuit diagram, the hot wire 12 thus corresponds more to the totality of thermal impedance transducers. During operation, a voltage U (s) drops across the hot wire 12. With these two variables, an electrical impedance Z el (s) of the hot wire 12 can be determined.
FIG 2 zeigt das Hitzdrahtanemometer 10 mit einigen weiteren Details. Danach ist der Hitzdraht 12 in einem Volumen, z.B. einer Röhre 16 angeordnet. Die Röhre 16 wird im Betrieb von einem Medium, nicht separat dargestellt sondern nur durch den Blockpfeil 18 verdeutlicht, durchströmt. Das Medium passiert dabei auch den Hitzdraht 12. Entsprechend jeweiliger Stoffeigenschaften x(s) des Mediums, z.B. Wärmekapazität, etc., gibt der Hitzdrahts 12 durch den Stromfluss erzeugte Wärme an das Medium ab. Der dadurch bewirkte Temperaturabfall beeinflusst in an sich bekannter Art und Weise den Widerstand des Hitz¬ drahts 12, der sich durch den Quotienten aus über dem Hitz¬ draht 12 abfallender Spannung U(s) und Speisestrom I(s) ausdrücken lässt.FIG 2 shows the hot wire anemometer 10 with some further details. Thereafter, the hot wire 12 is arranged in a volume, for example a tube 16. The tube 16 is in operation of a medium, not shown separately but only illustrated by the block arrow 18, flows through. The medium also passes through the hot wire 12. According to respective material properties x (s) of the medium, eg heat capacity, etc., the hot wire 12 releases heat generated by the flow of current to the medium. The resulting temperature drop influenced can be expressed in the resistance of the Hitz ¬ wire 12 above the wire Hitz ¬ by the quotient of 12 sloping in a known manner voltage U (s) and supply current I (s).
Gemäß FIG 2 umfasst das Hitzdrahtanemometer 10 auch ein Steu¬ ergerät 20, das seinerseits einen die Stromquelle 14 (FIG 1) umfassenden Leistungsteil 22, eine Verarbeitungseinrichtung, insbesondere einen Prozessor 24 oder dergleichen, und einen Speicher 26 umfasst. Das Leistungsteil 22 umfasst neben der Stromquelle 14 auch an sich bekannte Mittel zum Messen der über dem Hitzdraht 12 abfallenden Spannung U(s) .According to FIG 2, the hot wire anemometer 10 includes a STEU ¬ ergerät 20, which in turn comprises a power source 14 (FIG 1) comprising the power unit 22, a processing device, in particular a processor 24, or the like, and a memory 26th The power unit 22 includes not only the power source 14 but also known means for measuring the falling over the hot wire 12 voltage U (s).
Mit einem Hitzdrahtanemometer 10 wird - wie oben bereits er- wähnt - zur Massenstrommessung die über Konvektion vom Hitzdraht 12 abgeführte Wärmemenge an ein Medium, also z.B. ein am Hitzdraht vorbeiströmendes Gas, ausgewertet. Dabei hängt die abgeführte Wärmemenge sowohl von einer Strömungsgeschwindigkeit m des Mediums als auch von dessen Stoffeigenschaften x(s) (spezifische Wärmekapazität, Dichte, Viskosität, etc.) ab. Eine präzise Massestrommessung erfordert eine Kalibrierung auf die Stoffeigenschaften.With a hot-wire anemometer 10, as already mentioned above, the amount of heat removed by convection from the hot-wire 12 to the mass flow measurement is transferred to a medium, e.g. a gas flowing past the hot-wire, evaluated. The dissipated heat quantity depends both on a flow velocity m of the medium and on its material properties x (s) (specific heat capacity, density, viscosity, etc.). Precise mass flow measurement requires calibration for the properties of the material.
Zur Kalibrierung des Hitzdrahtanemometers 10 sind eine Basis- kalibrierung und eine Betriebskalibrierung vorgesehen, wobei nur die Betriebskalibrierung spezifisch für das jeweilige Hitzdrahtanemometer 10 ist und die Basiskalibrierung grundsätzlich für verschiedenste Hitzdrahtanemometer 10 verwendbar ist.For calibrating the hot wire anemometer 10, a base calibration and an operating calibration are provided, wherein only the operating calibration is specific to the respective hot wire anemometer 10 and the base calibration is basically usable for a wide variety of hot wire anemometers 10.
Im Folgenden wird zunächst die Basiskalibrierung beschrieben. Dazu ist vorgesehen, dass ein grundsätzlich beliebiges Hitzdrahtanemometer 10 nacheinander mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird. Darüber hinaus wird für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht 12 entsprechend einer vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve (nicht dargestellt) aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Zel(s) aus dem Speisestrom I(s) und der über dem Hitzdraht 12 abfallenden Spannung U(s) bestimmt. Die Aufheizkurve kann da- bei im Speicher 26 hinterlegt sein und wird durch entsprechende Variation des Speisestroms I(s) durch den Leistungsteil 22 unter Kontrolle des Prozessors 24 „abgefahren". Anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Zel(s) ergebenden Parameter lässt sich ein ausreichend bestimmtes Gleichungssystem aufstellen, anhand dessen eine Ko- effizientenmatrix A ermittelbar ist.In the following, the basic calibration will be described first. For this purpose, it is provided that a basically arbitrary hot-wire anemometer 10 is subjected in succession to a plurality of media known with regard to their material properties x (s) and through each medium to a multiplicity of predetermined or predefinable flow velocities m. In addition, for each medium and flow rate m, the hot wire 12 becomes one predetermined or predetermined heating curve (not shown) heated and an associated electrical impedance Z el (s) from the supply current I (s) and the falling over the hot wire 12 voltage U (s) determined. The heating curve can be stored in the memory 26 and is "driven off" by appropriate variation of the supply current I (s) by the power unit 22 under the control of the processor 24. On the basis of the majority of the media, flow velocities m and the measured values for the electrical impedance Z el (s) resulting parameters can be set up a sufficiently specific system of equations, based on which a coefficient matrix A can be determined.
U mAround
Z = 7 = φ2 (a - m + p - x) = [a b] = A -ξ [ 1 ]Z = 7 = φ 2 (a - m + p - x) = [ab] = A - ξ [1]
[Ia][Ia]
[Ib][Ib]
In Gleichung [1] bezeichnet Z die elektrische Impedanz Zd(s) , U die über dem Hitzdraht 12 abfallende Spannung U(s) und / den Speisestrom I(s) . Die durch Einführung der komplexen Frequenz s berücksichtigte Dynamik dieser und weiterer Größen ist in Gleichung [1] aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Weiter bezeichnet in Gleichung [1] m die (frequenzunabhängige) Strömungsgeschwindigkeit und x dieIn equation [1] Z denotes the electrical impedance Z d (s), U the voltage U (s) dropping across the hot wire 12 and / or the supply current I (s). The dynamics of these and other variables taken into account by introducing the complex frequency s has been omitted from equation [1] for reasons of clarity. Further, in equation [1] m, the (frequency-independent) flow velocity and x denote
Stoffeigenschaften X(^) = [X0(J1) •• JCj.(,s)]r, wobei m und x Elemente von ξ sind (Anmerkung: fett gedruckte Formelzeichen bezeichnen Vektoren oder Matrizen), a und ß sind (zunächst unbekannte) Koeffizienten, die den Einfluss der Strömungsge- schwindigkeit m und der Stoffeigenschaften x(s) auf die e- lektrische Impedanz Zel(s) beschreiben, φ beschreibt schließlich als φ{s) eine (zunächst unbekannte) Beziehung zwischen einer wirkenden thermischen Impedanz Zιherm(s) = Zιherm(rh,x(s)) und der messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Zel(s) . Diese Beziehung modelliert ausschließlich die Eigenschaften des Hitzdrahtes 12 und ist demnach unabhängig vom jeweiligen Medium.Material properties X (^) = [X 0 (J 1) •• JC j (, s).] R, where m and x elements of ξ are (Note: bold symbols indicate vectors or matrices), a and ß are (initially unknown) coefficients describing the influence of the flow velocity m and the material properties x (s) on the electrical impedance Z el (s), φ finally describes as φ {s) an (initially unknown) relationship between a acting thermal impedance Z ιherm (s) = Z ιherm (rh, x (s)) and the metrologically determined electrical impedance Z el (s). This relationship exclusively models the properties of the hot wire 12 and is therefore independent of the respective medium.
Ausmultipliziert ergibt sich aus dem mit [Ia] bezeichneten Teil der Gleichung [1] der mit [Ib] bezeichnete Teil, wobei die Größen als Matrizen geschrieben sind. Die damit ausgedrückte Mehrdimensionalität der jeweiligen Größen ergibt sich z.B. aufgrund der Tatsache, dass für die Basiskalibrierung - wie oben beschrieben - nacheinander eine Mehrzahl von hin- sichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannter Medien und jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten rh verwendet wird. Unter dieser Voraussetzung wird aus dem Zeilenvektor [a b] eine im Folgenden als Koeffizientenmatrix A bezeichnete Matrix. Die- se beinhaltet die zur Beschreibung des Einflusses der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten rh und Stoffeigenschaften x(s) verwendeten Koeffizienten a bzw. ß .The part multiplied by the part of the equation [1] denoted by [Ia] yields the part designated by [Ib], where the sizes are written as matrices. The multidimensionality of the respective variables thus expressed results, for example, from the fact that for the base calibration, as described above, a plurality of known media and each medium having a plurality of predetermined or predeterminable flow velocities rh are successively selected with respect to their material properties x (s) is used. Under this assumption, the row vector [ab] becomes a matrix hereinafter referred to as the coefficient matrix A. This contains the coefficients a or β used to describe the influence of the different flow velocities rh and material properties x (s).
Mit Hilfe einer Referenzmenge, S = [^0 ••• ξN] , die einen spezi- fizierten Wertebereich sowohl für den Massefluss rh als auch für die Stoffeigenschaften x(s) abdeckt, sowie der jeweiligen gemessenen elektrischen Impedanz Z = [Z0 ••• ZN\ können die Koeffizienten der Matrix A alsWith the aid of a reference set, S = [^ 0 ••• ξ N ], which covers a specified range of values for both the mass flow rh and the material properties x (s), and the respective measured electrical impedance Z = [Z 0 ••• Z N \ can be the coefficients of the matrix A as
A = Z(ΞTΞ)-1ΞT [2]A = Z (Ξ T Ξ) - 1 Ξ T [2]
geschätzt werden.to be appreciated.
Neben den durch Gleichung [2] repräsentierten Ordinary Least Squares (OLS) kommen alternativ Principle Component Regression (PCR) sowie Partial Least Squares (PLS) als adäquate Schätzer in Frage. Die jeweilige Wahl richtet sich nach der numerischen Gestaltung von Ξ (Rang, Ausprägung der Eigenwerte, etc.). Da das durch Gleichung [1] aufgestellte Modell die Eigenschaften von Sensor (Hitzdraht 12) und Medium trennt, können die Modellkoeffizienten, also die Koeffizienten der Matrix A, bei bekanntem φ(s) innerhalb einer einmal durchzuführenden Kalibrierung - der Basiskalibrierung - mit einer großen Anzahl von Stützstellen sehr genau bestimmt werden. Diese Kalibrierung besitzt anschließend Gültigkeit für alle anderen Hitzdrahtanemometer.In addition to the Ordinary Least Squares (OLS) represented by Equation [2], alternatively, Principle Component Regression (PCR) and Partial Least Squares (PLS) are suitable as adequate estimators. The respective choice depends on the numerical design of Ξ (rank, characteristic of eigenvalues, etc.). Since the model established by equation [1] separates the properties of sensor (hot wire 12) and medium, the model coefficients, ie the coefficients of matrix A, with known φ (s) within one calibration to be performed - the base calibration - can be done with a large one Number of nodes are determined very accurately. This calibration is then valid for all other hot wire anemometers.
Fertigungsbedingte Varianzen werden durch individuell - im Rahmen einer Betriebskalibrierung - bestimmte φ(s) aufgefan- gen. Wobei für jede Messvorrichtung jeweils ein φ(s) bestimmt wird. Dazu wird die Messvorrichtung mit einem Referenzmedium, also einem Medium mit bekannten Stoffeigenschaften x(s) , mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt. Hierbei ist es von Bedeutung, dass sowohl m als auch x(s) dem Wert nach mindestens einem Element der für die Basiskalibrierung verwendeten Matrix Ξ entspricht (die Betriebskalibrierung kann auch für mehrere Elemente von Ξ, mindestens aber für ein Element von Ξ durchgeführt werden) . Dadurch ist sichergestellt, dass die gemessene Änderung in der elektrischen Impedanz, Z, im laufenden Betrieb gegenüber der gemessenen elektrischen Impedanz, Zref, bei der Basiskalibrierung ausschließlich auf ein verändertes Übertragungsverhalten der Vorrichtung (Anemometer) zurückzuführen ist, da beide Messungen bei gleichem Massefluss und gleichen Stoffeigenschaften durchgeführt wurden. Die Änderung des Übertragungsverhaltens äußert sich in einem Übertragungsfaktor φ{s) vorliegend bei Betriebskalibrierung gegenüber einem Übertragungsfaktor φref(s) bei Basiskalibrierung. Da eine relative Änderung von φ erfasst werden soll, kann per Definition φref(s)=l gesetzt werden. Da der Term (αr-zw + ß-x) aus der Gleichung [1] sowohl für die Basiskalibrierung als auch für die Betriebskalibrierung gleich ist (gleicher definierter Massefluss, gleicher definierter Stoff) , ergibt sich der vorrich- tungsspezifische Übertragungsfaktor und damit das Ergebnis der Betriebskalibrierung entsprechend Gleichung [3] .Production-related variances are determined by individual φ (s) determined as part of an operating calibration. In each case a φ (s) is determined for each measuring device. For this purpose, the measuring device is acted upon with a reference medium, that is to say a medium with known material properties x (s), with a predetermined or predeterminable flow velocity m. It is important here that both m and x (s) correspond in value to at least one element of the matrix Ξ used for the basic calibration (the operating calibration can also be carried out for several elements of Ξ, but at least for one element of Ξ) , This ensures that the measured change in the electrical impedance, Z, during operation relative to the measured electrical impedance, Z ref , in the basic calibration is due exclusively to a changed transmission behavior of the device (anemometer), since both measurements at the same mass flow and same material properties were performed. The change in the transmission behavior manifests itself in a transmission factor φ {s) in the present case in the case of operating calibration compared to a transmission factor φ ref (s) in the case of basic calibration. Since a relative change of φ is to be detected, by definition φ ref (s) = 1 can be set. Since the term (αr-zw + β-x) from equation [1] is the same for both the base calibration and the operating calibration (same defined mass flow, same defined substance), the device-specific transmission factor and thus the result the operating calibration according to equation [3].
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Im laufenden Betrieb lässt sich aus den bekannten Koeffizienten der geschätzten Koeffizientenmatrix A und bekanntem Ü- bertragungsfaktor φ(s) schließlich aus dem linken Teil von Gleichung [1] auch eine Beziehung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m ableiten: m = * [ 4 ] aIn operation, from the known coefficients of the estimated coefficient matrix A and known transmission factor φ (s), finally, a relationship for determining the flow velocity m can also be derived from the left-hand part of equation [1]: m = * [4] a
Gleichung [4] gilt für beliebige Stoffe, insoweit die Stoffeigenschaften x(s) in dem durch A abgedeckten Bereich der Basiskalibrierung liegen (Interpolation) . Daraus erschließt sich der Vorteil dieses Verfahrens, da eine Rekalibrierung in diesem Fall nicht erforderlich wird.Equation [4] applies to any substances, insofar as the material properties x (s) lie within the range of the base calibration covered by A (interpolation). This opens up the advantage of this method, since a recalibration is not required in this case.
Anhand von Gleichung [4] lässt sich also mit einer Messvorrichtung der eingangs bezeichneten Art, wenn dieser die ge- schätzte Koeffizientenmatrix A eingeprägt ist, also z.B. indem sie in dem Speicher 26 hinterlegt ist, und wenn im Wege einer Betriebskalibrierung mit einem Referenzmedium der Übertragungsfaktor φ{s) bestimmt ist, für grundsätzlich beliebige Medien, sofern deren Eigenschaften von den bei der Ermittlung der Koeffizientenmatrix A zugrunde gelegten Stoffeigenschaf- ten x(s) umfasst sind, die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit und/oder der jeweilige Massefluss berechnen.On the basis of equation [4], it is thus possible with a measuring device of the type described at the outset, if the estimated coefficient matrix A is impressed on it, e.g. by being stored in the memory 26, and if the transmission factor φ {s) is determined by means of an operating calibration with a reference medium, for fundamentally any media, provided that their properties depend on the substance properties x (x) which are used in the determination of the coefficient matrix A. s), which calculate the respective flow velocity and / or the respective mass flow.
Aufbauend auf dem Ansatz gemäß der Erfindung ist eine verbes- serte Masseflussmessung, d.h. ein Verfahren und eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Vorrichtung, möglich. Dazu war in FIG 2 schematisch vereinfacht das Steuergerät 20 mit Prozessor 24 und Speicher 26 gezeigt. Die Funktionalität der Vorrichtung ergibt sich aufgrund einer Softwareimplementation des beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform, die in dem Speicher 26 vorgehalten sein kann. Durch Zugriff auf den Speicher 26 und die dort hinterlegte Softwareimplementation des Verfahrens führt das Steuergerät 20 mittels des Prozessors 24 das Verfahren aus.Based on the approach of the invention, an improved mass flow measurement, i. a method and a device operating according to such a method possible. For this purpose, the control unit 20 with processor 24 and memory 26 was shown schematically simplified in FIG. The functionality of the device results from a software implementation of the described method according to the invention or a preferred embodiment which may be stored in the memory 26. By accessing the memory 26 and the software implementation of the method stored there, the control unit 20 executes the method by means of the processor 24.
Damit lässt sich die vorliegende Erfindung insgesamt kurz wie folgt beschreiben: Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, wobei eine vorrichtungsunab- hängige Basiskalibrierung vorgenommen wird, mit der Koeffizienten ermittelt werden, die einen Einfluss von Größen, mit denen die Vorrichtung während der Messung beaufschlagt wird, etwa Eigenschaften des strömenden Mediums und Strömungsgeschwindigkeit, abbildet und wobei zum Betrieb der Vorrichtung eine vorrichtungsspezifische Betriebskalibrierung vorgenommen wird, mit der ein vorrichtungsspezifischer Übertragungsfaktor ermittelt wird, wobei im Betrieb der Vorrichtung aufgrund der Bekanntheit der vorrichtungsunabhängigen Koeffizienten und des vorrichtungsspezifischen Übertragungsfaktors keine weitere Kalibrierung, auch nicht bei Änderungen des Mediums, er- forderlich sind. Thus, the present invention as a whole can be briefly described as follows: The invention relates to a method and a device for measuring flow velocities, wherein a device-independent basic calibration is carried out, with which coefficients are determined that have an influence of variables, With where the device is exposed during the measurement, such as characteristics of the flowing medium and flow velocity, and wherein a device-specific operating calibration is performed to operate the device, with a device-specific transmission factor is determined, wherein in operation of the device due to the reputation of the device-independent coefficients and of the device-specific transmission factor, no further calibration is necessary, even if the medium is changed.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Basiskalibrierung einer Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen von der Vorrichtung umfassten, durch eine Stromquelle (14) gespeisten Hitzdraht (12), wobei die Vorrichtung mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird, wobei für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht (12) entsprechend einer vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Ze,(s) aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) bestimmt wird und wobei anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Zel(s) ergebenden Parameter ein ausreichend bestimmtes Gleichungssystem gebildet und daraus eine Koeffizientenmatrix A ermittelt wird.1. A method for base calibration of a device for measuring flow velocities by evaluating the effect of convection of a flowing medium on a covered by the device, by a power source (14) fed hot wire (12), wherein the device with a plurality of respect to their material properties x (s) known media and by each medium with a plurality of predetermined or predetermined flow velocities m is applied, heated for each medium and each flow rate m of the hot wire (12) corresponding to a predetermined or predetermined heating curve and an associated electrical impedance Z e , ( s) is determined from a supply current I (s) and a voltage U (s) dropping across the hot wire (12), and where, for the plurality of media, flow velocities m and the measured values for the electrical impedance Z el (s) resulting parameters a sufficiently determined Gleichun gssystem formed and from a coefficient matrix A is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Koeffizientenmatrix A mit einem numerischen Schätzverfahren ermittelt wird.2. The method of claim 1, wherein the coefficient matrix A is determined by a numerical estimation method.
3. Verfahren zur Betriebskalibrierung einer entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 kalibrierten Vorrichtung mit einer eingeprägten Koeffizientenmatrix A, wobei eine Beziehung zwischen einer messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Ze!(s) und einer im Betrieb wirkenden thermischen Impedanz Ztherm(s) des Hitzdrahts (12) durch einen Übertragungsfaktor φ(s) modelliert wird, wobei die Vorrichtung mit einem hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften x(s) bekannte Medium mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt wird, wobei aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) die elektrische Impedanz Zel(s) ermittelt wird und mit der elektrischen Impedanz Zel(s) und den bekannten Parametern Stoffeigenschaften x(s) und Strömungsgeschwindigkeit m der Übertragungsfaktor φ(s) ermittelt wird.3. A method for operating calibration of a calibrated according to the method of claim 1 or claim 2 device with an impressed coefficient matrix A, wherein a relationship between a metrologically determined electrical impedance Z e! (s) and a thermal impedance Z therm (s) of the hot wire (12) acting in operation is modeled by a transmission factor φ (s), the device having a medium known with regard to its material properties x (s) with a predetermined or predeterminable flow velocity m is applied, wherein from a supply current I (s) and one above the Hot wire (12) falling voltage U (s), the electrical impedance Z el (s) is determined and with the electrical impedance Z el (s) and the known parameters material properties x (s) and flow velocity m, the transmission factor φ (s) is determined ,
4. Verfahren zum Betrieb einer entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4 kalibrierten Vorrichtung, wobei zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m der im Rahmen der Betriebskalibrierung ermittelte Übertragungsfaktor φ(s) zugrunde gelegt wird.4. A method for operating a calibrated according to the method according to claim 3 or 4 device, wherein for determining the flow rate m of the determined in the context of the operating calibration transmission factor φ (s) is used.
5. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.A computer program comprising computer executable program code instructions for implementing the method of any one of claims 1, 2, 3 or 4 when the computer program is run on a computer.
6. Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 5.6. computer program product, in particular storage medium, with a computer-executable computer program according to claim 5.
7. Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen durch eine Stromquelle (14) mit einem Speisestrom I(s) gespeisten Hitzdraht (12), mit einem Steuergerät (20) zur Messung einer über dem Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) und entweder einem durch das Steuergerät (20), insbesondere eine davon umfasste Verarbeitungseinheit, ausgeführten oder ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 5 oder einem durch das Steuergerät (20) lesbaren Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 6. 7. A device for measuring flow velocities by evaluating the effect of convection of a flowing medium on a by a current source (14) with a supply current I (s) fed hot wire (12), with a control device (20) for measuring an over the hot wire ( 12) decreasing voltage U (s) and either a computer program executed or executable by the control unit (20), in particular a processing unit, according to claim 5 or a computer program product readable by the control unit (20) according to claim 6.
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CN109342769B (en) * 2018-12-10 2021-01-12 山东省科学院激光研究所 Calibration method, flow velocity measurement method and device

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