WO2015172974A1 - Verfahren zum betreiben eines messgerätes und messgerät - Google Patents

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WO2015172974A1
WO2015172974A1 PCT/EP2015/058475 EP2015058475W WO2015172974A1 WO 2015172974 A1 WO2015172974 A1 WO 2015172974A1 EP 2015058475 W EP2015058475 W EP 2015058475W WO 2015172974 A1 WO2015172974 A1 WO 2015172974A1
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medium
sensor
measuring
component
thermal
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PCT/EP2015/058475
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English (en)
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Anastasios Badarlis
Axel Pfau
Oliver Popp
Hanno Schultheis
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested
    • G—PHYSICS
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    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
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    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • G01F1/6965—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters comprising means to store calibration data for flow signal calculation or correction
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives
    • G01N33/225—Gaseous fuels, e.g. natural gas

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a measuring device according to the preamble of claim 10.
  • Vibrating sensors for viscosity and density have been addressed in several scientific publications.
  • Micro-cantilevers are u.a. in the publication "Naeli, Kianoush, and Oliver Brand.” Dimensional considerations in resonant high quality factors for resonant silicone cantilevers in air. "Journal of Applied Physics 105, no. 1 (2009): 014908-014908".
  • the generic DE 10 2013 1 12 729 A1 represents a further developed concept.
  • a sensor for determining a first thermal-physical property selected from the thermal thermal conductivity ⁇ , the thermal diffusivity ⁇ and / or the specific heat capacity c p of the medium to be measured, and second vibrating sensor, to determine a first thermal-physical property.
  • a composition of a gas (or gas mixture) or a liquid (or a liquid mixture) can take place.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • a measuring device with the features of claim 10 is provided.
  • the inventive method for operating a measuring device in particular a
  • Flow meter allows the determination of the concentration, the volume fraction, the mass fraction and / or the partial pressure of at least one component in one
  • the measuring device is equipped at least with a first sensor which is suitable for determining a first thermal-physical property selected from the thermal conductivity ⁇ , the thermal diffusivity ⁇ and / or the specific heat capacity c p of the medium to be measured, and with at least one second sensor, which is provided for determining the viscosity ⁇ and / or the density p of the medium to be measured.
  • the method is characterized by a plurality of method steps, which need not necessarily be in alphabetical order, in particular with regard to steps a) and b).
  • step a) information is provided with regard to the type of the possible components of the measuring medium. Here all suitable components can be entered. If a component is not contained in the measuring medium, its proportion is "zero" and its concentration is output accordingly, but ideally the user is aware of the complete number of components and their type
  • Component occurs to which there is no information regarding their nature, so there may be a misinterpretation of records in the sequence.
  • step b) the data sets are provided with respect to the fluid properties, namely the viscosity, the density, the thermal conductivity, the thermal diffusivity, the specific
  • Component mixtures that correspond to the fluid properties determined by the first and second sensors are both values or physical quantities, which are known from one or more
  • Traceable values can also be directly measured voltages, amplitudes and the like, from which the fluid properties can be determined. This means that the abovementioned fluid properties do not necessarily have to be stored in the database, but values already converted into the measured variable may also have been stored. Since the fluid properties can be calculated from the measured variables (voltage values, etc.), it is possible to determine from the known (predetermined)
  • Fluid properties of the individual components with known parameters also already calculated the theoretical values for each measure by means of algorithms and stored as a record.
  • step c) measured values of the first and of the second sensor are determined, with which at least two fluid properties of the multicomponent measuring medium can be traced, in particular calculated, whereby a first fluid property is selected from the viscosity of the measuring medium and the density of the measuring medium and a second Fluid property is selected from the thermal conductivity of the medium, the thermal conductivity of the medium or the specific heat capacity of the medium to be measured.
  • step e!) The determination here is the active detection or measurement of measured values in the corresponding measured variables and, if necessary, their conversion into fluid properties, in the case of known process parameters.
  • step e! The determination of a concentration, a mass fraction, a volume fraction and / or a partial pressure of at least one component of the multicomponent measuring medium takes place on the basis of the measured values or at least two of those determined therefrom
  • Fluid properties and records This can be done by comparison, e.g. by
  • step c) measured values are determined on which at least three of the fluid properties can be traced and that in step d) the determination is based on these measured values or at least the three fluid properties with the data sets.
  • the method is particularly suitable for gas mixtures, in particular binary, ternary or quaternary gas mixtures.
  • gas mixtures in particular binary, ternary or quaternary gas mixtures.
  • liquid mixtures, solutions, e.g. Salt solutions, and the like can be determined, but the measurement uncertainty increases. It is also possible to determine gas mixtures with more than 4 components with regard to the concentrations of the individual components, although here too the measurement uncertainty and the chance of a misallocation of the measurement results to a data set with the number of components increases.
  • step c measured values are determined, to which at least four of the
  • Fluid properties are traceable and that in step d) the determination based on these measurements or at least the three fluid properties are compared with the data sets.
  • appropriate sensors or sensors are presented in a compact design in the concrete embodiments, which can be operated by the method.
  • the temperature of the multicomponent medium can advantageously be determined and taken into account in the calculation of the concentration, the mass fraction, the volume fraction or the partial pressure of the at least one component of the multicomponent measuring medium. For example, it is possible to provide a correction algorithm for the temperature-related changes in the fluid properties or to store data sets for different temperature ranges in the database. The same procedure can be used for printing.
  • step d) can be carried out particularly advantageously by comparing the data sets with the measured values or at least two of the fluid properties determined therefrom from step c).
  • the records can be used as a database for a variety of components and Component mixtures can be stored in a storage unit. However, it is not absolutely necessary that this memory unit is part of the evaluation unit. Likewise, the evaluation unit may be formed remotely from the sensor. Consequently, individual parts of the measuring device do not necessarily represent a structural unit, but can communicate with each other, for example via wireless or other communication channels.
  • the meter may have another mode of operation.
  • a limit value is specified.
  • this limit value may indicate a shortfall or a shortfall.
  • the note can u.a. be a control command to open a valve. This is e.g. the case when a predetermined yield, that is an amount of product, is reached in a synthesis reaction. Alternatively, falling below a threshold, e.g. indicate that more of this feedstock needs to be fed to the synthesis to establish chemical equilibrium. In this case, the control command can control a corresponding valve.
  • a second possibility of a hint would be a warning. If it is theoretically not possible for a component to exceed or fall short of a certain limit value and the measuring device nevertheless detects such a change, this can be an indication of an incorrect assignment of a data record to a medium composition.
  • the present method aims at the determination of the concentration, the volume fraction, the mass fraction and / or the partial pressure of at least one component or optionally several components in a multicomponent measuring medium. This data can be used for
  • Further processing e.g. be forwarded to a computer system, which can use this data, for example, for process control.
  • a computer system which can use this data, for example, for process control.
  • an output in particular a visual display, the concentration, the mass fraction, the volume fraction or the partial pressure of the at least one component of the multicomponent measuring medium is carried out by an output unit.
  • An inventive measuring device has at least
  • Leg second sensor (12) which is provided for determining the viscosity ⁇ and / or the density p of the measuring medium (M).
  • the measuring device has an evaluation unit, which is designed to determine the concentration, a volume fraction, a mass fraction or a partial pressure of at least one component of a multicomponent measurement medium.
  • the evaluation unit preferably has or communicates with a memory unit. Data sets are stored on this memory unit which, in conjunction with the measured values of the first and second sensors, determine the
  • Allow concentration, a volume fraction, a mass fraction or a partial pressure of at least one component of a multicomponent medium can be done, for example, by means of a computing unit which is part of the evaluation unit.
  • a measuring device with a corresponding sensor has at least one first component, in which an integral measuring channel is provided, or the first component, in conjunction with other components, forms a measuring channel integrally in the measuring device. Integral in this context means that the material of the component partially or completely limits the measuring channel. Thus, no measuring tube is necessary.
  • the first component is preferably a substrate body made of ceramic or metal.
  • the measuring channel is intended for the conduction of a measuring medium by the measuring instrument.
  • the measuring device has the first sensor for determining a first thermal-physical property, selected from the thermal thermal conductivity or the thermal conductivity ⁇ , the thermal diffusivity ⁇ and / or the specific heat capacity pc p of the measured medium.
  • this sensor can have an RTD, a heatable resistance temperature sensor, as the heating element.
  • the omega-3 measuring method allows this heating element to be heated while at the same time measuring the medium temperature.
  • the first sensor may consist of a heating element and one or more temperature sensor elements which determine the temperature of the medium near the heating element. From the amount of heat supplied and the temperature determined, the sensor can then determine the thermal thermal conductivity ⁇ , the thermal diffusivity ⁇ and / or the specific heat capacity pc p of the measured medium.
  • the second sensor can preferably be designed as a vibrating element or at least have vibrating segments and transmits these vibrations into the measuring medium.
  • the first and second sensors may also be a structural unit with two or more sensor elements. However, the sensors can also be arranged separately from one another and connected to one another only by the measuring channel. As a preferred variant, one or more cantilevered arms can be used for the second sensor. But it can also be provided a vibrating plate or another vibrating flat element.
  • the second sensor does not necessarily have to be on the same component as the first sensor, but can also be located, for example, on a second component, in particular a separate substrate body.
  • a running from the first to the second sensor measuring channel should be provided, which extends from the first component via adjoining components to a second component on which component of the second sensor is arranged.
  • the measuring device is a sensor for determining properties of the medium.
  • the senor comprises at least the sensor elements of the first and / or the second embodiment variant and at least one further temperature sensor.
  • the sensor elements of the first and / or second embodiment variant are to be understood collectively as an active sensor element, which will be described below as a heater.
  • the one or more arranged in addition to the heater temperature sensors are to be understood as passive sensor elements in the context of the present application. By or additional passive sensor elements, a determination of the thermal mass flow is made possible.
  • the heater with the heating element and optionally the other temperature sensor elements, according to a preferred embodiment of the invention may consist of one or more narrow metal strips, which is arranged straight, ring or arcuate on the first component.
  • the shape of the active and / or passive sensor elements can be achieved, for example, by depositing a metal layer on the substrate body and then carrying out an etching process in which the contour of the heating element is e.g. by a masking of certain sections, is formed.
  • a protective layer can also be applied to the heating element, which protects the heating element against damage of a mechanical or chemical nature.
  • the first sensor determines the mass flow of the measuring medium through the measuring channel.
  • the first sensor preferably also has at least one passive sensor element in addition to the aforementioned sensor elements, from which the heater is composed.
  • a more reliable measurement can be based on at least two passive sensor elements
  • the first sensor determines temperature-proportional measured values and measured values with regard to the amount of heat fed in.
  • the second sensor can measure voltage values, for example, which suggest the vibration damping of the medium. It is advantageous if the measuring device has at least one evaluation unit which uses measured values which are measured by the first and / or second sensor, at least the thermal thermal conductivity ⁇ , the thermal conductivity a, the specific heat capacity pc p , the viscosity ⁇ and / or the density p of the medium to be measured.
  • the measuring device is a MEMS flowmeter.
  • a MEMS flowmeter (Microelectromechanical System) is characterized by very low overall heights and a chip design.
  • a MEMS flowmeter preferably has a dimension of a size smaller than a wafer. However, particularly preferred sizes for a corresponding flow meter are below 5 cm 2 .
  • the measuring device can be used in particular for determining the product properties of gases or liquids and / or the composition of a gas or liquid mixture.
  • Mass flow of a measuring medium with a measuring device comprises the following steps: a) determination of a thermal mass flow of the measuring medium;
  • the correction of the thermal mass flow can preferably be carried out by means of at least one evaluation unit.
  • 1 is a perspective view of a first mass flowmeter according to the invention
  • 2 top view of a first component of the mass flowmeter according to the invention
  • Fig. 3 detailed view of a first sensor for the determination of thermal-physical
  • FIG. 4 shows a detailed view of a second sensor which is vibrated and arranged on the first component
  • Fig. 5 exploded view of the mass flowmeter
  • FIG. 6 is a perspective view of the first component
  • FIG. 8 shows a perspective view of a first component of the second mass flowmeter
  • Fig. 1 1 flowchart relating to the operation of the first sensor
  • FIG. 12 is a flowchart relating to the operation of the second sensor
  • FIG. 13 shows a detailed view of an arrangement of sensor elements of a first sensor of a third
  • FIG. 14 shows a representation of a second sensor of a fourth mass flowmeter
  • FIG. 15 shows a representation of a second sensor of a fifth mass flowmeter
  • FIG. 16 shows a flow chart which represents an implementation of the mode of operation of a mass flow device according to the invention.
  • Fig. 1-6 shows an embodiment of a first invention
  • Mass flow meter 1 Mass flow meter 1.
  • Mass flow meter 1 a first component 2, which is formed in a compact manner as a monolithic component.
  • This monolithic component is preferably a multilayer chip in which the respective functional layers are introduced by means of an etching process.
  • the mass flow meter 1 also has a second component 3, which is mounted on the first component 2 and connected thereto.
  • the connection between the first and the second component 2 and 3 is preferably pressure-stable, in particular at pressures of more than 3 bar and also preferably has a good thermal shock resistance at temperature differences of preferably more than 100 K.
  • the first component 2 can be used as substrate material and consist of ceramic, metal or plastic, wherein the coefficient of thermal expansion of the aforementioned material is preferably close to the coefficient of thermal expansion of the material of the second component.
  • quartz or silicon can be selected. Appropriate suitable
  • the first component 2 forms in connection with a third component 7 and with the second component a measuring channel integrated in the mass flow device 1, which is designed analogously to the measuring channel 20 shown in FIG. 9 and through which a measuring medium M to sensors 1 1 or 31 and 12 is guided.
  • These sensors 1 1 or 31 and 12 are in the present
  • Embodiment arranged on one and the same first component 2.
  • the sensors it is also possible within the scope of the invention for the sensors to be arranged on a plurality of components.
  • the measuring channel has a medium feed 4 and a medium discharge 5 with which a measuring medium M is supplied to or removed from the measuring channel 20. These media supply and discharge are arranged on the second component 3.
  • the second component and the third component may be made of the same material as the first component.
  • the third component 7 with the first component 1 is also pressure-resistant and
  • thermoly stable connected From Fig. 1 it can be seen that the surface of the first component 2 has contacts 6. The surface of the first component 2 protrudes laterally below the second component 3, so that the contacts 6 are accessible. At these contacts can lines
  • the evaluation unit 8 takes over the Determining and calculating the output values with regard to the properties of the measuring medium and the mass flow rate from the values measured by the sensors 11 or 31 and 12.
  • FIG. 2 shows a plan view of the upper side of the first component 2.
  • the rear side of the component has a shape for the measuring channel. You can see the leading to the measuring channel
  • This measuring channel is introduced into the first component, for example by milling or etching, so that the sensor elements 1 1 or 31 and 12 are directly in contact with the measuring medium or are protected by a thin layer of material from chemical or mechanical damage.
  • the measuring channel can also be introduced in the second component 3, so that the medium is conducted from the side of the second component 3 via the sensors 11 or 31 and 12.
  • the first component 2 has at least one first sensor 1 1 or 31. This sensor 1 1 or 31 is used to determine the thermal-physical properties of the medium.
  • Properties are, for example, the thermal conductivity of the medium. However, it is also possible to determine the thermal conductivity (thermal diffusivity) of the medium. At determined or predetermined density and the specific thermal conductivity can be determined by the sensor.
  • the mass flowmeter 1 also has at least one second sensor 12.
  • This sensor 12 is vibrating.
  • medium properties can be determined. These are preferably the density and the viscosity.
  • the aforementioned second sensor 12 may be particularly preferably provided together with the first sensor 1 1 or 31 in one and the same component 2. This ensures a simple
  • the medium channel is not formed by a measuring tube, but it is an integral part of the mass flowmeter. That is, the medium channel is in the material of one of the components 2 or 3, in particular in the material of the second component 2, introduced or it is formed by merging a plurality of components, here the first, second and third components 2, 3 and 7.
  • the flow meter shown in FIGS. 1-6 combines a first sensor 11 or 31 for determining thermal-physical properties of a measuring medium with a second vibrating sensor 12, which functions as a viscometer.
  • Corresponding vibrating sensors may preferably be designed as so-called cantilevers.
  • Cantilevers that work on the principle of a viscometer are already known.
  • a cantilever is a projection or projecting segment which is vibrated. The vibrations can be generated by piezoelectric excitation, electromagnetic excitation or electrostatic excitation.
  • Vibration viscometers are based on the principle of damping an oscillating
  • electromechanical resonator which is held in a medium whose viscosity is to be determined.
  • the resonator emits vibrations caused by torsion or transversal vibrations. The latter can be generated by the cantilever arm shown in FIG.
  • the damping of the resonator can be measured in different ways.
  • the power supply needed to oscillate the resonator at a constant amplitude can be determined. It is also possible to determine the time delay of the signals if the resonator is switched off.
  • Another possibility of the measurement is the frequency determination of the resonator as a function of a phase angle between excited and received waveforms. The higher the viscosity, the higher the frequency change for a given phase change.
  • the cantilever can also be used to determine the density of the measuring medium.
  • the vibrating sensor also determines physical properties of the sensor
  • Measuring medium As shown in Figs. 1-6, it is possible to arrange the first and second sensors on one and the same monolithic chip. This chip can be in MEMS design
  • the excitation of the cantilever 18 by electromagnetic excitation by means of a magnetic field e.g. an axial magnetic field, preferably generated by a coil, not shown, or at least one
  • Fig. 2 B The structure of the cantilever is shown in Fig. 2 B in detail.
  • the cantilever also has a resistor 17, preferably a piezoresistor, which changes depending on the amplitude of the oscillations of the cantilever arm.
  • the piezoresistor may preferably be designed as a one-piece element, for example as a one-piece bridge, or as a bridge with four piezoresistive resistors.
  • the AC excitation shifts the cantilever arm into vibrations Y. These vibrations are damped to varying degrees depending on the viscosity of the medium to be measured. This damping can be detected by the piezoresistor. This principle is shown in Fig. 4 in detail.
  • the cantilever is arranged in a rectangular space and is at the
  • Thermal conductivity a the viscosity ⁇ , the density p and the specific heat capacity pc p of the medium.
  • the second sensor I.2 is set into oscillation in an excitation step a2 by, for example, an electromagnetic excitation. These vibrations are introduced into the measuring medium and, depending on the properties of the measuring medium, measured values are determined in response to the excitation.
  • the measured values can be converted, for example, in the form of a voltage signal b2 as a function of the damping properties of the medium to the vibrations by the evaluation unit II.2 and with the aid of a mathematical-physical model II.3 into physical quantities for describing the properties of the thermal-physical measuring medium. These are the viscosity and / or the density of the measuring medium.
  • the first component 2 also has a metal layer 30. This is smaller than 10 ⁇ , but preferably less than or equal to 6 ⁇ . From this film, individual segments of the first and / or the second sensor 1 1 or 31 and 12 and their contacts 6 are formed.
  • the arrangement of the sensors has been optimized to meet the requirements of being easily integrated into a flowmeter with an integrated measuring channel. Particularly in the small-sized range of flow meters such optimized arrangements in the measurement of microfluids advantage.
  • a faster measurement can be done with one or more changing media or a changing medium composition.
  • a corresponding sensor may preferably have a medium facing surface of less than 10 cm 2 and a sensor thickness of less than 0.5 cm.
  • the measuring channel preferably has an average diameter of less than 2 mm.
  • the flowmeter is designed as a thermal mass flowmeter.
  • the first sensor 11 makes it possible to determine the mass flow rate. For this purpose, this sensor has various sensor elements.
  • Thermal flowmeters typically use two as equally as possible
  • Measuring channel 20 flowing medium One of the two sensor elements is a so-called active sensor element, which is heated by means of a heating unit.
  • This active sensor element is hereinafter referred to as heater 11 b, 21.
  • As a heating unit is either an additional
  • Resistance heating provided, or the sensor element itself is a resistance element, for. B. to an RTD (Resistance Temperature Device) sensor, the by converting an electrical power, for. B. is heated by a corresponding variation of the measuring current.
  • the second of the two further sensor elements is a so-called passive sensor element 11a, 11c, 23 and 24: it measures the temperature of the medium and is preferably arranged in the vicinity of the active sensor element, the so-called heater.
  • a third sensor element may be provided as a passive sensor element, which is also arranged in the vicinity of the heater.
  • a sequence of the sensor elements in the flow direction is provided, which consists of the second sensor element 11 a, 24, the heater 1 1 b, 21 and the third sensor element 1 1 c, 23.
  • the respective passive sensor elements in the flow direction on both sides to the heater 11 b, 21 are positioned.
  • thermistors can also be used as passive sensor elements.
  • the heater or its individual elements can preferably be made of chromium, nickel and / or platinum. However, other materials are known which come as heated elements in question.
  • a heatable sensor element is heated so that sets a fixed temperature difference between the two sensor element.
  • it has also become known to feed a constant heat output via a control / control unit.
  • the cooling of the heated sensor element is essentially dependent on the mass flow rate of the medium flowing past. Since the medium is colder than the heated sensor element, heat is transported away from the heated sensor element by the flowing medium. So in a flowing medium, the fixed
  • Maintaining temperature difference between the two sensor elements is an increased Heating power required for the heated sensor element.
  • the increased heating power is a measure of the mass flow or the mass flow of the medium through the measuring channel.
  • the temperature difference between the two sensor elements is reduced as a result of the flow of the medium.
  • the respective temperature difference is then a measure of the Massed urchpound the medium through the measuring channel.
  • the flowmeter optionally has a third and / or a fourth sensor 13, 14. These optional third and fourth
  • Sensors may for example consist of nickel.
  • both sensor elements 13 and 14 are arranged spatially separated from one another on the first component 2 in the region of the medium discharge 5 and medium supply 4. They measure the
  • FIG. 11 A description of the measuring method is shown in FIG. 11.
  • the heater is excited in an excitation step a1 with an AC and DC signal. This is introduced into the measuring medium and, depending on the properties of the measuring medium, measured values are determined in response to the excitation. This is done by the first sensor 1.1.
  • the measured values in the form of a temperature signal b1 with amplitudes and phases are converted by the evaluation unit 11.1 and with the aid of a mathematical-physical model 111.1 into physical quantities for describing the
  • Thermal-physical measuring medium Properties of the thermal-physical measuring medium converted. These are the thermal heat conductivity and / or the thermal conductivity.
  • the temperature of the medium is determined both at the passive sensor elements 1 1 a, 1 1c, 23, 24 and / or at the heater 1 1 b, 21 as resistance values or as voltage values. These temperature measuring points of the temperature signal vary and therefore have an amplitude and a phase. The phase is to be regarded as a time offset, with the T signal remaining the same. This behavior of the temperature signals has a periodic course, caused by the AC excitation of the heater.
  • the thermal conductivity and the thermal diffusivity of the surrounding medium can be determined. This happens as a function of the dimensioning of the sensor and the individual sensor elements to each other. Thus, a particularly preferred arrangement of the sensor elements contributes to each other to a better determination of the aforementioned thermal-physical parameters.
  • Figs. 1-4 and Figs. 5-8 are identical in a variety of features. The difference between the two embodiments results primarily from the design and operation of the first sensor, which is used to determine the thermal-physical properties.
  • the two variants each show the configuration of a sensor for
  • the senor can also be used for pure property determination of a medium.
  • the mode of operation will be described in more detail below with reference to the first sensor 11 or 31, which is intended to determine the thermal-physical properties.
  • the illustrated in Fig. 1-6 first sensor can be described as a sensor 1 1 with a temperature-dependent heater. This works as a temperature meter.
  • the heater 1 1 b comprises a heating element, which at the same time a temperature measurement on the third
  • Frequency performs.
  • the AC feedback of the heater, the thermal conductivity ⁇ and the specific heat capacity pc p of the medium can be determined. This can be done using the 3omega method.
  • the 3-omega method is a measuring method for determining the thermal conductivities of media, in particular of gases or liquids.
  • the heater 1 1 b applied to the first component is heated periodically and the resulting temperature oscillations are measured. From their frequency dependence, the thermal conductivity and thermal diffusivity of the medium can be determined.
  • the 3-omega method is known per se. On three different frequencies, a signal and / or energy transfer can take place. Based on the 3-omega method, a current or a current-equivalent voltage can be transmitted on a frequency for operating the heating element.
  • a second frequency can be transmitted the transmitted heat or the power required for this purpose.
  • the measured temperature can be transmitted.
  • V t) I t) * R t)
  • Temperature difference determination of the temperature sensors str based on the DC signal which can be used to calculate the flow and / or the
  • the heater 21 operates independently of temperature. It consists of one
  • Heating element 21 A, 21 B, 21 C and one or more temperature sensor elements 21 D can not act alone as a sensor, but only in conjunction with the additional temperature sensor element 21 D. In this case, it can be seen from Fig. 10A that the heating element is disposed around the temperature sensor element.
  • the heating element may consist of two elongated segments 21 A and 21 C and a bridge 21 B, as can also be seen from Fig. 10a.
  • the temperature sensor element 21 D is allowed to determine the temperature of the medium as close as possible to the heating element. As already explained, the AC response of this temperature sensor element 21 D is used to determine the
  • the flow can, as in the previous example, be carried out by determining the temperature difference on the basis of the upstream and downstream of the heater 31 arranged passive sensor elements 23 and 24.
  • the heater 21 and the two passive sensor elements 23 and 24 together form the first sensor 31 in this case.
  • the determination of the flow rate is based on the DC measurement signal based on the
  • Sensor elements and / or the heater are conceivable and can be configured by appropriate designs.
  • FIG. 1 An alternative embodiment for a corresponding design modification is shown in FIG. 1
  • Fig. 13 shows only schematically an alternative of a first sensor for a
  • This sensor has an annular heating element 42 as part of a temperature-independent heater 45.
  • This heater 45 has, in addition to the heating element 42, two arcuate temperature sensor elements 43.
  • two arcuate temperature sensor elements 43 are also in this case.
  • Temperature sensor elements 43 of the heater 45 is disposed very close to the heating element 42. Consequently, the heater is also constructed as an active sensor element in this case of a heating element and one or more temperature sensor elements. The heater serves to determine the already mentioned thermal-physical properties of the medium.
  • Temperature sensor elements 43 are positioned asymmetrically, vertical to the flow direction and close to the heating element 42, to minimize as far as possible the influence of the flow on the measurement. By measuring the amplitude and the phase of the AC temperature signal, a calculation of the thermal conductivity and the specific heat capacity of the medium can be carried out.
  • the first sensor has two arcuate passive sensor elements 44. These serve to determine the flow rate or the flow of a measuring medium M. The upstream and downstream of the heater 45 arranged sensor elements 44 allow the determination of the flow and / or the flow rate.
  • the second sensor 12 may also have different design variants.
  • FIG. 14 shows two interconnected cantilevers which can oscillate outside a plane which extends along the longitudinal axis of the sensor and perpendicular to the wall ⁇ (as shown in FIGS. 2 and 10).
  • the cantilever arms may also be stacked, starting from the side view of FIG.
  • Mass flow meter wherein the cantilever on the wall a, as shown in Fig. 2 and 10, is fixed. As a result, the sensor behaves like a tuning fork.
  • Vibrational excitation may be by electromagnetic excitation, piezoelectric excitation, thermal excitation (in bipolar behavior) or electrostatic excitation.
  • planar-vibrating sensor elements can oscillate within the plane of the first component or within the sensor chip plane.
  • the detecting part of the second sensor may preferably be a piezoresistive resistor.
  • Other means for detecting the swing of the sensor may also be used, for example electrostatic or optical means for detection.
  • the cantilever arms shown in Figures 14 and 15 are ideally coupled together in their own form. This has the particular advantage that no energy losses to support the vibrating sensor elements occur.
  • the method for determining the thermal-physical properties is based on the
  • the calorimetric determination can be carried out by measuring the amount of heat generated by the heater and by measuring the temperature difference of the passive sensor elements
  • Heat capacity c p are determined to achieve a self-correction of the mass flow. This can be done by solving functions 1-4. By solving the above
  • Equations 1-4 are shown in general form. They describe the frequency response of the first sensor and the second sensor. Different models were offered by different researchers to identify these features. The different models are explained in more detail in the above-mentioned scientific articles on the prior art, reference being made expressly to these disclosure points within the scope of the invention.
  • FIGS. 1-15 also have an evaluation unit (not shown).
  • FIG. 16 shows a process diagram which can be executed by the evaluation unit.
  • the evaluation unit does not necessarily have to be mechanically connected to the sensor, but can also be offset therefrom and connected thereto, e.g. by cable connection or by wireless connection or the like.
  • This evaluation unit accesses a database 101. This is on a within the
  • Evaluation unit arranged data store stored. Alternatively, it may also be an external data store, e.g. acting on an external server, from which the evaluation unit retrieves the data or with which the evaluation unit communicates.
  • the evaluation unit can have different operating modes, which are explained in more detail below:
  • a first operating mode allows at least the concentration information 102, the mass fraction, the volume fraction and / or the partial pressure of a component of a gas and / or
  • Liquid mixture or solutions of at least two or more components Liquid mixture or solutions of at least two or more components.
  • the evaluation unit comprises a computing unit 103, which has access to the aforementioned database.
  • the database includes at least one set of physical fluid properties for pure gases and / or liquids. These datasets include at least two fluid properties selected from the density, the viscosity, the thermal thermal conductivity and / or the specific heat capacity.
  • the data set may also include information of the aforementioned fluid properties at different pressures and temperatures 104.
  • data sets for two- or multi-component fluid mixtures ie liquid and / or gas mixtures or for solutions, e.g. Salt solutions, be deposited.
  • the density, the viscosity, the thermal thermal conductivity, the specific heat capacity and / or the thermal diffusivity for different mixing ratios e.g. 1: 9, 2: 8, 3: 7, 4: 6 and 5: 5.
  • a similar procedure is also for ternary or quaternary
  • the measured values 106 determined by the sensor from which the density, the viscosity, the thermal heat conductivity, the specific heat capacity and / or the thermal diffusivity of the fluid mixture can be determined, are sent by the sensor to the evaluation unit, converted into the abovementioned fluid properties and compared with those in the Database stored records compared.
  • the density, the viscosity, the thermal heat conductivity and the specific heat capacity can be determined by one and the same sensor. This makes it particularly advantageous without additional prior knowledge to determine the proportions or concentrations of the components directly.
  • a second mode of operation allows for the incorporation of prior knowledge 105. It is possible, for example, to predetermine all or individual candidate gas components of the gas mixture already in the device. In this case, the evaluation unit can only query the data records in which the corresponding gas components are present, whereby the evaluation is more accurate and with fewer errors.
  • a first sub-operating mode of the second operating mode allows the specification of the number of components 107.
  • the evaluation unit at low disturbances e.g. the evaluation unit at low disturbances further
  • a second sub-mode of operation of the second mode of operation allows specification of the type of one or more components 108.
  • the components may e.g. Be methane. In this case, only the number of data sets with gas mixtures are retrieved, which methane as
  • the user may set a concentration preset 109, for example, a minimum concentration of carbon dioxide.
  • concentration preset 109 for example, a minimum concentration of carbon dioxide.
  • the evaluation unit can be programmed in such a way that a plausibility check is carried out, provided that by comparison of the
  • Fluid properties determined concentration is less than the minimum concentration. In this case, this would indicate an error of the measurement and possibly be output as error message 1 1 1.
  • This determined temperature can preferably be taken into account when determining the correct data records.
  • an additional pressure sensor can be provided.
  • the evaluation unit also allows process control.
  • process control for example, if a first component of a gas changes, it is also possible to regulate the concentration of the second component accordingly, e.g. via a pressure regulating valve, so as to fulfill a user-made default or specification regarding the minimum concentration of the second component.
  • Heat capacity or derived from physical variables.
  • the appropriate determination of the proportions, concentrations and / or partial pressures can be carried out using the ideal gas equation or for real gases. In the latter case, mathematical mixture models and corresponding software programs can be used to simplify the calculation.
  • measured values of other sensors 110 e.g. the speed of sound in the fluid mixture is determined and taken into account in the concentration calculation.
  • concentration calculation e.g. the speed of sound in the fluid mixture.
  • the Applicant sells a corresponding measuring device under the title "Proline Prosonic B200" for biogas measurement.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Messgerätes, insbesondere eines Durchfluss-Messgerätes, zur Bestimmung der Konzentration, des Volumenanteils, des Massenanteils und/oder des Partialdruckes zumindest einer Komponente in einem mehrkomponentigen Messmedium.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Messgerätes und Messgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Messgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Es sind eine Reihe Sensoren bekannt, welche thermisch-physikalische Eigenschaften messen. So wird in der Veröffentlichung„Beigelbeck, R., F. Kohl, S. Cerimovic, A. Talic, F. Keplinger, and B. Jakoby. "Thermal property determination of laminar-flowing fluids utilizing the frequency response of a calorimetric flow sensor." In Sensors, 2008 IEEE, pp. 518-521. IEEE, 2008" ein sehr sensitiver Sensor beschrieben, welcher basierend auf einem mathematischen Modell eine Bestimmung der thermischen Wärmeleitfähigkeit κ und der Temperaturleitfähigkeit α ermittelt.
Die Veröffentlichung„Kliche, K., S. Billat, F. Hedrich, C. Ziegler, and R. Zengerle. "Sensor for gas analysis based on thermal conductivity, specific heat capacity and thermal diffusivity." In Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 201 1 IEEE 24th International Conference on, pp. 1 189-1 192. IEEE, 201 1" beschreibt eine Reihe von Sensoren, welche bestimmt sind zur Messung von thermisch-physikalischen Eigenschaften.
Eine Vielzahl wissenschaftlicher Artikel setzen sich zudem mit der 3-omega Methode zur Bestimmung der thermischen Wärmeleitfähigkeit auseinander. Diese Methode wird beispielsweise auch in der Veröffentlichung„Gauthier, Sebastian, Alain Giani, and Philippe Combette. "Gas thermal conductivity measurement using the three-omega method." Sensors and Actuators A: Physical (2013)." Aufgegriffen
Vibrierende Sensoren zur Bestimmung der Viskosität und Dichte wurden bereits in mehreren wissenschaftlichen Veröffentlichungen behandelt.
Micro-Cantilever werden u.a. in der Veröffentlichung "Naeli, Kianoush, and Oliver Brand. "Dimensional considerations in achieving large quality factors for resonant Silicon cantilevers in air." Journal of Applied Physics 105, no. 1 (2009): 014908-014908" beschrieben.
Weiterentwickelte Konzepte zur Verwendung von Cantilever-Modellen in Fluiden werden in den Veröffentlichungen„Van Eysden, Cornelis A., and John E. Sader. "Frequency response of cantilever beams immersed in compressible fluids with applications to the atomic force microscope." Journal of Applied Physics 106, no. 9 (2009): 094904-094904" und "Ghatkesar, Murali Krishna, Ekaterina Rakhmatullina, Hans-Peter Lang, Christoph Gerber, Martin Hegner, and Thomas Braun. "Multi- parameter microcantilever sensor for comprehensive characterization of Newtonian fluids." Sensors and Actuators B: Chemical 135, no. 1 (2008): 133-138" erörtert.
Die Veröffentlichung "Goodwin, A. R. H., A. D. Fitt, K. A. Ronaldson, and W. A. Wakeham. "A vibrating plate fabricated by the methods of microelectromechanical Systems (MEMS) for the simultaneous measurement of density and viscosity: results for argon at temperatures between 323 and 423K at pressures up to 68 MPa." International journal of thermophysics 27, no. 6 (2006): 1650- 1676" beschreibt die Verwendung von vibrierenden Platten zur Bestimmung von Viskosität und Dichten einiger Gase durch ein entsprechend entwickeltes mathematisch-physikalisches Modell.
Die gattungsgemäße DE 10 2013 1 12 729 A1 stellt ein weiterentwickeltes Konzept dar. Durch die Kombination eines Sensor zur Bestimmung einer ersten thermisch-physikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität cp des Messmediums, und zweiten vibrierenden Sensors, zur
Bestimmung der Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums (M), in ein- und demselben Messgerät, kann eine Zusammensetzung eines Gases (bzw. Gasgemisches) oder einer Flüssigkeit (bzw. eines Flüssigkeitsgemisches) erfolgen.
Ausgehend von diesem gattungsgemäßen Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, welches eine Ermittlung des Anteils einzelner Komponenten eines Flüssigkeitsgemisches oder eines Gasgemisches ermöglicht. .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zudem wird ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 bereitgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Messgerätes, insbesondere eines
Durchfluss-Messgerätes, ermöglicht die Bestimmung der Konzentration, des Volumenanteils, des Massenanteils und/oder des Partialdruckes zumindest einer Komponente in einem
mehrkomponentigen Messmedium. Dabei ist das Messgerät zumindest mit einem ersten Sensor ausgestattet, welcher zur Bestimmung einer ersten thermisch-physikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität cp des Messmediums geeignet ist, sowie mit zumindest einem zweiten Sensor, welcher zur Bestimmung der Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums vorgesehen ist.
Das Verfahren zeichnet sich durch mehrere Verfahrensschritte aus, welche nicht zwingend in alphabetischer Reihenfolge erfolgen müssen, insbesondere hinsichtlich der Schritte a) und b). In Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen von Informationen hinsichtlich der Art der möglichen Komponenten des Messmediums. Hier können alle in Frage kommenden Komponenten eingegeben werden. Falls eine Komponente nicht im Messmedium enthalten ist, so beträgt deren Anteil„Null" und ihre Konzentration wird entsprechend ausgegeben. Idealerweise ist dem Nutzer jedoch die vollständige Anzahl an Komponenten und deren Art bekannt. Falls im Messmedium eine
Komponente vorkommt, zu welcher keine Information hinsichtlich ihrer Art vorliegt, so kann es zu einer Fehlinterpretation hinsichtlich der Datensätze in der Folge kommen.
In Schritt b) erfolgt das Bereitstellen von Datensätzen bezüglich der Fluideigenschaften, nämlich der Viskosität, der Dichte, der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen
Wärmekapazität und/oder darauf rückführbare Werte für Einzelkomponenten und/oder
Komponentengemische, welche mit den Fluideigenschaften korrespondieren, welche durch den ersten und den zweiten Sensor bestimmt werden. Rückführbare Werte sind in diesem Kontext sowohl Werte bzw. physikalische Größen, welche sich aus einer oder mehreren bekannten
Fluideigenschaften, und ggf. unter Verwendung von Konstanten, berechnen lassen. Rückführbare Werte können auch direkt gemessene Spannungen, Amplituden und dergl. sein, aus welchen die Fluideigenschaften bestimmbar sind. Das heißt, in der Datenbank müssen nicht zwingend die vorgenannten Fluideigenschaften abgelegt sein, sondern es können auch bereits in die Messgröße umgerechnete Werte gespeichert vorliegen. Da aus den Messgrößen (Spannungswerte usw.) die Fluideigenschaften berechenbar sind, können aus den bekannten (vorgegebenen)
Fluideigenschaften der Einzelkomponenten bei bekannten Parametern (z.B. Messrohrradius usw.) auch bereits die theoretischen Werte für jeweilige Messgröße mittels Algorithmen berechnet und als Datensatz abgelegt sein.
So können im folgenden Schritt beispielsweise entweder die gemessenen und theoretischen Fluideigenschaften verglichen werden oder die gemessenen und theoretischen Werte der
Messgrößen verglichen werden.
In Schritt c) erfolgt ein Ermitteln von Messwerten des ersten und des zweiten Sensors, mit welchen zumindest zwei Fluideigenschaften des mehrkomponentigen Messmediums rückführbar, insbesondere berechenbar, sind, wobei eine erste Fluideigenschaft ausgesucht ist aus der Viskosität des Messmediums und der Dichte des Messmediums und eine zweite Fluideigenschaft ausgesucht ist aus der Wärmeleitfähigkeit des Messmediums, der Temperaturleitfähigkeit des Messmediums oder der spezifischen Wärmekapazität des Messmediums.
Das Ermitteln ist hierbei das aktive Erfassen bzw. Messen von Messwerten in den entsprechenden Messgrößen und ggf. deren Umrechnung in Fluideigenschaften, bei bekannten Prozessparametern. Schließlich erfolgt in Schritt e!) die Ermittlung einer Konzentration, eines Masseanteils, eines Volumenanteils und/oder eines Partialdrucks zumindest einer Komponente des mehrkomponentigen Messmediums anhand der Messwerte oder zumindest zwei der daraus ermittelten
Fluideigenschaften und den Datensätzen. Dies kann durch einen Vergleich, z.B. durch
Vergleichsoperationen, oder Berechnung oder auf andere Weise erfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn in Schritt c) Messwerte ermittelt werden, auf weiche zumindest drei der Fluideigenschaften rückführbar sind und dass in Schritt d) die Ermittlung anhand dieser Messwerte oder zumindest der drei Fluideigenschaften mit den Datensätzen erfolgt. Dadurch wird die
Bestimmung genauer, insbesondere bei zunehmender Anzahl an Komponenten.
Das Verfahren lässt sich besonders gut für Gasgemische, insbesondere binäre, ternäre oder quaternäre Gasgemische anwenden. Auch Flüssigkeitsgemische, Lösungen, z.B. Salzlösungen, und dergl. lassen sich bestimmen, jedoch nimmt die Messunsicherheit zu. Ebenfalls ist es möglich Gasgemische mit mehr als 4 Komponenten hinsichtlich der Konzentrationen der Einzelkomponenten zu bestimmen, wobei allerdings auch hierbei die Messunsicherheit und die Chance zu einer Fehlzuordnung der Messergebnisse zu einem Datensatz mit der Zahl der Komponenten steigt.
Um entsprechende Messunsicherheiten und mögl. Fehlzuordnungen weiter zu verringern ist es von Vorteil, wenn in Schritt c) Messwerte ermittelt werden, auf welche zumindest vier der
Fluideigenschaften rückführbar sind und dass in Schritt d) die Ermittlung anhand dieser Messwerte oder zumindest der drei Fluideigenschaften mit den Datensätzen verglichen werden. Hierfür werden in den konkreten Ausführungsbeispielen entsprechende Sensoren bzw. Messaufnehmer in kompakter Ausgestaltung vorgestellt, welche nach dem Verfahren betrieben werden können.
Die Temperatur des mehrkomponentigen Mediums kann vorteilhaft ermittelt werden und bei der Berechnung der Konzentration, des Masseanteils, des Volumenanteils oder des Partialdrucks der zumindest einen Komponente des mehrkomponentigen Messmediums berücksichtigt werden. So ist es beispielsweise möglich einen Korrekturalgorithmus für die temperaturbedingten Änderungen der Fluideigenschaften vorzusehen oder aber Datensätze für unterschiedliche Temperaturbereiche in der Datenbank zu hinterlegen. Analog kann auch beim Druck vorgegangen werden.
Die Ermittlung in Schritt d) kann besonders vorteilhaft durch einen Vergleich der Datensätze mit den Messwerten oder zumindest zwei der daraus ermittelten Fluideigenschaften aus Schritt c) erfolgen. Die Datensätze können als Datenbank für eine Vielzahl von Komponenten und Komponentengemische in einer Speichereinheit hinterlegt sein. Dabei ist es allerdings nicht zwingend notwendig, dass diese Speichereinheit Teil der Auswerteeinheit ist. Ebenso kann die Auswerteeinheit abgesetzt vom Messaufnehmer ausgebildet sein. Folglich müssen einzelne Teile des Messgerätes nicht zwingend eine bauliche Einheit darstellen, sondern können miteinander, z.B. über wireless oder andere Kommunikationswege miteinander kommunizieren.
Es ist von Vorteil, wenn das Verfahren zudem folgende weitere Schritte umfasst:
• Bereitstellen von Daten hinsichtlich zumindest eines Grenzwertes einer Konzentration, des Partialdruckes, des Massenanteils oder des Volumenanteils einer Komponente; und
• Ausgabe eines Hinweises bei Überschreitung und/oder Unterschreitung des
Grenzwertes.
Somit kann das Messgerät einen weiteren Betriebsmodus aufweisen. Dabei wird zunächst ein Grenzwert vorgegeben. Dieser Grenzwert kann je nach Anwendung bei Unterschreitung oder Überschreitung einen Hinweis ausgeben. Der Hinweis kann u.a. ein Steuerbefehl zum Öffnen eines Ventils sein. Dies ist z.B. der Fall, wenn eine vorbestimmte Ausbeute, also eine Menge an Produkt, bei einer Synthesereaktion erreicht ist. Alternativ kann ein Unterschreiten eines Grenzwertes, z.B. eines Ausgangsstoffes anzeigen, dass mehr von diesem Ausgangsstoff der Synthese zugeführt werden muss, um ein chemisches Gleichgewicht herzustellen. Hierbei kann der Steuerbefehl ein entsprechendes Ventil ansteuern. Eine zweite Möglichkeit eines Hinweises wäre ein Warnhinweis. Wenn es theoretisch nicht möglich ist, dass eine Komponente einen bestimmten Grenzwert über- oder unterschreitet und das Messgerät eine solche Änderung trotzdem detektiert, so kann dies ein Hinweis auf eine falsche Zuordung eines Datensatzes zu einer Mediumszusammensetzung sein.
Das vorliegende Verfahren zielt auf die Bestimmung der Konzentration, des Volumenanteils, des Massenanteils und/oder des Partialdruckes zumindest einer Komponente oder ggf. mehrerer Komponenten in einem mehrkomponentigen Messmedium ab. Diese Daten können zur
Weiterverarbeitung z.B. an ein Computersystem weitergeleitet werden, welches eine diese Daten beispielsweise zur Prozesssteuerung nutzen kann. Zur Überprüfung der ermittelten Daten durch den Endnutzer ist es von jedoch von Vorteil, wenn eine Ausgabe, insbesondere eine visuelle Anzeige, der Konzentration, des Masseanteils, des Volumenanteils oder des Partialdrucks der zumindest einen Komponente des mehrkomponentigen Messmediums durch eine Ausgabeeinheit erfolgt.
Es ist zudem von Vorteil weitere Messwerte oder eine oder mehrere weitere Fluideigenschaften, insbesondere die Schallgeschwindigkeit, welche eine Bestimmung der Konzentration, des Massenanteils, des Volumenanteils und/oder des Partialdruckes einer oder mehrerer Komponenten ermöglichen, zu messen und der Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen.
Ein erfindungsgemäßes Messgerät weist zumindest
Aeinen ersten Sensor (11 , 31 , 41 ) auf, zur Bestimmung einer ersten thermisch-physikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der
Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität pcp des Messmediums, und
Beinen zweiten Sensor (12) auf, welcher zur Bestimmung der Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums (M) vorgesehen ist.
Zudem weist das Messgerät eine Auswerteeinheit auf, welche ausgebildet ist zur Ermittlung der Konzentration, eines Volumenanteils, eines Masseanteils oder eines Partialdrucks zumindest einer Komponente eines mehrkomponentigen Messmediums.
Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise eine Speichereinheit auf oder kommuniziert mit einer solchen. Auf dieser Speichereinheit sind Datensätze abgelegt, welche im Zusammenspiel mit den gemessenen Werten des ersten und des zweiten Sensors eine Ermittlung der
Konzentration, eines Volumenanteils, eines Masseanteils oder eines Partialdrucks zumindest einer Komponente eines mehrkomponentigen Messmediums ermöglichen. Dies kann beispielsweise mittels einer Recheneinheit erfolgen, die Teil der Auswerteeinheit ist.
Nachfolgend werden typische Messaufnehmer beschrieben, welche über die vorgenannten Sensoren verfügen. Die Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf diese Messaufnehmer beschränkt. Dem Fachmann auf diesem Gebiet sind eine umfangreiche Auswahl an Sensoren und Sensoranordnungen bekannt, welche für diese Messaufgabe in Frage kommen. Die nachbeschriebenen Messaufnehmer sind allerdings insbesondere in mikromechanischer Bauweise, als MEMS-Chip, realisierbar und daher in vorteilhafter Weise sehr kompakt und stellen u.a. einen nur sehr geringen Strömungswiderstand dar.
Ein Messgerät mit einem entsprechenden Messaufnehmer weist zumindest ein erstes Bauteil auf, in welchem ein integraler Messkanal vorgesehen ist oder das erste Bauteil bildet in Verbindung mit weiteren Bauteilen einen Messkanal integral im Messgerät aus. Integral bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Material des Bauteils teilweise oder vollständig den Messkanal begrenzt. Es ist somit kein Messrohr notwendig. Als erstes Bauteil eignet sich vorzugsweise ein Substratkörper aus Keramik oder Metall.
Der Messkanal ist vorgesehen zur Leitung eines Messmediums durch das Messgerät. Das Messgerät weist den ersten Sensor auf, zur Bestimmung einer ersten thermischphysikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der thermischen Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität pcp des Messmediums.
Dieser Sensor kann in einer ersten bevorzugten konstruktiv-einfachen Ausführungsvariante einen RTD, einen beheizbaren Widerstandstemperatursensor, als Heizelement aufweisen. Durch die Omega-3 Messmethode kann dieses Heizelement sowohl beheizt werden und zugleich die Mediumstemperatur messen. Somit sind bei dieser Ausführungsvariante keine weiteren Sensorelemente notwendig um die thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der
Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität pcp des Messmediums zu bestimmen.
In einer zweiten Ausführungsvariante kann der erste Sensor aus einem Heizelement und einem oder mehreren Temperatursensorelementen bestehen, welche die Temperatur des Mediums nahe dem Heizelement ermitteln. Aus der zugeführten Wärmemenge und der ermittelten Temperatur kann dann der Sensor die thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität pcp des Messmediums bestimmen.
Der zweite Sensor kann vorzugsweise als vibrierendes Element ausgestalten sein oder zumindest vibrierende Segmente aufweisen und überträgt diese Vibrationen ins Messmedium. Beim ersten und zweiten Sensor kann es sich auch um eine bauliche Gesamteinheit mit zwei oder mehr Sensorelementen handeln. Die Sensoren können allerdings auch getrennt voneinander angeordnet sein und lediglich durch den Messkanal miteinander verbunden sein. Als bevorzugte Variante können einer oder mehrere Cantileverarme für den zweiten Sensor genutzt werden. Es kann aber auch eine vibrierende Platte oder ein anderes vibrierendes flaches Element vorgesehen sein. Der zweite Sensor muss sich nicht zwingend auf demselben Bauteil befinden wie der erste Sensor, sondern kann sich beispielsweise auch auf einem zweiten Bauteil, insbesondere einem gesonderten Substratkörper befinden. Um allerdings die Messung desselben Mediumvolumens zu gewährleisten, sollte ein vom ersten zum zweiten Sensor verlaufender Messkanal vorgesehen sein, welcher sich vom ersten Bauteil über sich daran anschließenden Bauteile bis hin zu einem zweiten Bauteil erstreckt, auf welchem Bauteil der zweite Sensor angeordnet ist. Es ist jedoch messtechnisch und auch fertigungstechnisch von Vorteil, wenn beide Sensoren auf ein- und demselben Bauteil angeordnet sind.
Bei der vorgenannten bevorzugten ersten und zweiten Ausführungsvariante handelt es sich bei dem Messgerät um einen Sensor zur Bestimmung von Eigenschaften des Mediums.
In weiteren Ausführungsvarianten umfasst der Sensor zumindest die Sensorelemente der ersten und/oder der zweiten Ausführungsvariante und zumindest einen weiteren Temperatursensor. Die Sensorelemente der ersten und/oder zweiten Ausführungsvariante sind gemeinsam als ein aktives Sensorelement zu verstehen, welches nachfolgend als Heizer beschrieben wird.
Das oder die zusätzlich zu dem Heizer angeordneten Temperatursensoren sind als passive Sensorelemente im Sinne der vorliegenden Anmeldung zu verstehen. Durch das oder die zusätzlichen passiven Sensorelemente wird eine Ermittlung des thermischen Massedurchflusses ermöglicht.
Der Heizer, mit dem Heizelement und ggf. den weiteren Temperatursensorelementen, kann nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung dabei aus einem oder mehreren schmalen Metallstreifen bestehen, welche gerade, ring- oder bogenförmig auf dem ersten Bauteil angeordnet ist. Gleiches gilt vorzugsweise für die passiven Sensorelemente
Die Form der aktiven und/oder der passiven Sensorelemente kann beispielsweise durch Auftrag einer Metallschicht auf den Substratkörper erreicht werden und einen sich daran anschließenden Ätzvorgang, in welchem die Kontur des Heizelements z.B. durch eine Maskierung bestimmter Abschnitte, herausgebildet wird.
Optional kann auf das Heizelement auch eine Schutzschicht aufgetragen werden, welche das Heizelement vor Schädigung mechanischer oder chemischer Natur schützt.
Sofern das Messgerät als ein thermisches Massendurchflussmessgerät ist, erfolgt durch den ersten Sensor die Bestimmung des Massendurchflusses des Messmediums durch den Messkanal. Hierfür weist der erste Sensor vorzugsweise zusätzlich zu den vorgenannten Sensorelementen, aus welchen sich der Heizer zusammensetzt auch zumindest ein passives Sensorelement auf. Eine zuverlässigere Messung lässt sich allerdings anhand von zumindest zwei passiven
Sensorelementen durchführen.
Der erste Sensor ermittelt temperaturproportionale Messwerte und Messwerte bezüglich der eingespeisten Wärmemenge. Der zweite Sensor kann beispielsweise Spannungswerte messen, welche auf die Schwingungsdämpfungen des Mediums schließen lassen. Es ist von Vorteil, wenn das Messgerät zumindest eine Auswerteeinheit aufweist, welche aus Messwerten, welche durch den ersten und/oder zweiten Sensor gemessen werden, zumindest die thermische Wärmeleitfähigkeit κ, die Temperaturleitfähigkeit a, die spezifische Wärmekapazität pcp, die Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums bestimmt.
Es ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Messgerät um ein MEMS- Durchflussmessgerät handelt. Ein MEMS-Durchflussmessgerät (Microelectromechanical System) zeichnet sich durch sehr geringe Bauhöhen und eine Chipbauweise aus. Ein MEMS- Durchflussmessgerät weist vorzugsweise eine Dimensionierung einer Größe kleiner als einem Wafer auf. Besonders bevorzugte Größen für ein entsprechendes Durchflussmessgerät liegen jedoch unterhalb von 5 cm2.
Das Messgerät kann insbesondere zur Bestimmung der Produkteigenschaften von Gasen oder Flüssigkeiten und/oder der Zusammensetzung eines Gas- oder Flüssigkeitsgemisches genutzt werden.
Erst durch die kombinierte Ermittlung von Produkteigenschaften kann eine effektive Korrektur eines Massendurchflusses bei einem unbekannten Medium erfolgen.
Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines korrigierten
Massedurchflusses eines Messmediums mit einem Messgerät, insbesondere einem Messgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst die folgenden Schritte: a) Bestimmung eines thermischen Massedurchflusses des Messmediums;
b) Bestimmung zumindest einer thermisch-physikalischen Eigenschaft ausgesucht aus der thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität pcp des Messmediums durch einen ersten Sensor des Messgerätes;
c) Bestimmung zumindest der Dichte und/oder der Viskosität des Messmediums durch einen zweiten Sensor, welcher vibriert und
d) Korrektur des thermischen Massedurchflusses des Messmediums anhand der ermittelten thermisch-physikalischen Eigenschaft des Messmediums und der Dichte und/oder Viskosität des Messmediums.
Die Korrektur des thermischen Massedurchflusses kann vorzugsweise mittels zumindest einer Auswerteeinheit erfolgt.
Fig. 1 Perspektivansicht eines ersten erfindungsgemäßen Massedurchflussmessgerätes; Fig. 2 Draufsicht auf ein erstes Bauteil des erfindungsgemäßen Massedurchflussmessgerates;
Fig. 3 Detailansicht eines ersten Sensors zur Bestimmung von thermisch-physikalischen
Eigenschaften eines Messmediums;
Fig. 4 Detailansicht eines zweiten Sensors, welcher vibriert und am ersten Bauteil angeordnet ist;
Fig. 5 Explosionsdarstellung des Massedurchflussmessgerates;
Fig. 6 Perspektivansicht des ersten Bauteils;
Fig. 7 Explosionsdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Massedurchflussmessgerätes;
Fig. 8 Perspektivansicht eines ersten Bauteils des zweiten Massedurchflussmessgerätes;
Fig. 9 Schnittansicht des zweiten Massedurchflussmessgerätes;
Fig. 10 Draufsicht auf das erste Bauteil des zweiten Massedurchflussmessgerätes;
Fig. 10 A Detailansicht eines ersten Sensors zur Bestimmung einer thermisch-physikalischen
Eigenschaft;
Fig. 1 1 Ablaufdiagramm bezüglich der Arbeitsweise des ersten Sensors;
Fig. 12 Ablaufdiagramm bezüglich der Arbeitsweise des zweiten Sensors;
Fig. 13 Detailansicht einer Anordnung von Sensorelementen eines ersten Sensors einer dritten
Massendurchflussmessgerätes;
Fig. 14 Darstellung eines zweiten Sensors eines vierten Massendurchflussmessgerätes;
Fig. 15 Darstellung eines zweiten Sensors eines fünften Massendurchflussmessgerätes; und Fig. 16 Darstellung eines Flussdiagramms welches eine Umsetzung der Betriebsweise eines erfindungsgemäßen Massendurchflussgerätes darstellt. Fig. 1-6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines ersten erfindungsgemäßen
Massendurchflussmessgerätes 1. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das
Massendurchflussmessgerat 1 ein erstes Bauteil 2, welches in kompakter Art und Weise als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Dieses monolithische Bauteil ist vorzugsweise ein mehrlagiger Chip, in welchen die jeweiligen Funktionslagen mittels eines Ätzverfahrens eingebracht sind.
Das Massendurchflussmessgerat 1 weist darüber hinaus noch ein zweites Bauteil 3 auf, welches auf das erste Bauteil 2 aufgesetzt und mit diesem verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 2 und 3 ist dabei vorzugsweise druckstabil insbesondere bei Drücken von mehr als 3 bar und weist ebenfalls vorzugsweise eine gute Temperaturwechselbeständigkeit bei Temperaturunterschieden von vorzugsweise mehr als 100 K auf.
Das erste Bauteil 2 kann als Substratmaterial genutzt werden und aus Keramik, Metall oder Kunststoff bestehen, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient des vorgenannten Materials vorzugsweise nahe beim Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials des zweiten Bauteils liegt. Insbesondere kann Quarz oder Silicium gewählt werden. Entsprechend geeignete
Materialkombinationen sind dem Fachmann aus dem Bereich der MEMS-Technologie hinreichend bekannt.
Das erste Bauteil 2 bildet in Verbindung einem dritten Bauteil 7 und mit dem zweiten Bauteil einen im Massendurchflussgerät 1 integrierten Messkanal aus, welcher analog zu dem in Fig. 9 dargestellten Messkanal 20 ausgebildet ist und durch welchen ein Messmedium M zu Sensoren 1 1 oder 31 und 12 hingeleitet wird. Diese Sensoren 1 1 oder 31 und 12 sind im vorliegenden
Ausführungsbeispiel auf ein- und demselben ersten Bauteil 2 angeordnet. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Sensoren auf mehreren Bauteilen angeordnet sind. Der Messkanal weist eine Mediumszuführung 4 und eine Mediumsabführung 5 auf, mit welchen ein Messmedium M dem Messkanal 20 zu- oder abgeführt wird. Diese Mediumszuführung und - abführung sind auf dem zweiten Bauteil 3 angeordnet.
Das zweite Bauteil und das dritte Bauteil können aus dem gleichen Material bestehen wie das erste Bauteil. Dabei ist das dritte Bauteil 7 mit dem ersten Bauteil 1 ebenfalls druckfest und
temperaturstabil verbunden. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Oberfläche des ersten Bauteils 2 Kontakte 6 aufweist. Die Oberfläche des ersten Bauteils 2 steht seitlich unter dem zweiten Bauteil 3 hervor, so dass die Kontakte 6 zugänglich sind. An diesen Kontakten können Leitungen
angeschlossen werden, welche zu einer Auswerteeinheit 8 des Massendurchflussmessgerätes 1 führen. Dies ist in Fig. 1 lediglich schematisch angedeutet. Die Auswerteeinheit übernimmt die Bestimmung und Berechnung der Ausgabewerte bezüglich der Eigenschaften des Messmediums und des Massendurchflusses aus den von den Sensoren 1 1 oder 31 und 12 gemessenen Werten.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite des ersten Bauteils 2. Die Rückseite des Bauteils weist eine Ausformung für den Messkanal auf. Man erkennt die zum Messkanal führenden
Durchführungen 9 und 10 durch welche das Messmedium M in den unterhalb des ersten Bauteils 2 befindlichen Messkanal geführt wird. Dieser Messkanal ist in das erste Bauteil eingebracht, beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen, so dass die Sensorelemente 1 1 oder 31 und 12 direkt im Kontakt mit dem Messmedium stehen oder durch eine dünne Materiallage vor chemischen oder mechanischen Beschädigungen geschützt sind. Alternativ kann der Messkanal auch im zweiten Bauteil 3 eingebracht sein, so dass das Medium von der Seite des zweiten Bauteils 3 über die Sensoren 1 1 oder 31 und 12 geleitet wird.
Das erste Bauteil 2 weist zumindest einen ersten Sensor 1 1 oder 31 auf. Dieser Sensor 1 1 oder 31 dient der Ermittlung von thermisch-physikalischen Eigenschaften des Mediums. Diese
Eigenschaften sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit (thermal conductivity) des Mediums. Es kann allerdings zusätzlich auch die Temperaturleitfähigkeit (thermal diffusivity)des Mediums ermittelt werden. Bei ermittelter oder vorgegebener Dichte kann auch die spezifische Wärmeleitfähigkeit durch den Sensor ermittelt werden.
Das Massendurchflussmessgerät 1 weist zudem zumindest einen zweiten Sensor 12 auf. Dieser Sensor 12 ist vibrierend. Durch diesen Sensor 12 können Mediumseigenschaften ermittelt werden. Dabei handelt es sich vorzugsweise um die Dichte und die Viskosität.
Der vorgenannte zweite Sensor 12 kann besonders bevorzugt zusammen mit dem ersten Sensor 1 1 oder 31 in ein und demselben Bauteil 2 vorgesehen sein. Dies gewährleistet eine einfache
Herstellung und eine kompakte Bauweise des Massend urchflussmessgerätes. Miniaturisierte Massend urchflussmessgeräte sind dadurch realisierbar. Dabei ist der Mediumskanal nicht durch ein Messrohr gebildet, sondern er ist ein integraler Bestandteil des Massendurchflussmessgerätes. Das heißt der Mediumskanal ist im Material eines der Bauteile 2 oder 3, insbesondere im Material des zweiten Bauteils 2, eingebracht oder er wird durch das Zusammenführen mehrerer Bauteile, hier der ersten, zweiten und dritten Bauteile 2, 3 und7 ausgebildet.
Das in Fig. 1-6 abgebildete Durchflussmessgerät kombiniert einen ersten Sensor 11 oder 31 zur Bestimmung von thermisch-physikalischen Eigenschaften eines Messmediums mit einem zweiten vibrierenden Sensor 12, welcher als als Viscometer funktioniert. Entsprechende vibrierende Sensoren können vorzugsweise als sogenannte Cantilever ausgebildet sein. Cantilever welche nach dem Prinzip eines Viscometers arbeiten sind an sich schon bekannt. Ein Cantilever ist ein Vorsprung bzw. ein hervorstehendes Segment, welches in Vibrationen versetzt wird. Die Vibrationen können durch piezoelektrische Anregung, elektromagnetische Anregung oder elektrostatische Anregung erzeugt werden.
Vibrationsviscometer beruhen auf dem Prinzip des Bedämpfens eines oszillierenden
elektromechanischem Resonators, welcher in ein Medium gehalten wird, dessen Viskosität ermittelt werden soll. Der Resonator sendet dabei durch Torsion verursachte Schwingungen aus oder transversale Schwingungen. Letztere können durch den in Fig. 4 dargestellten Cantilever-Arm erzeugt werden. Je höher die Viskosität, umso höher ist die Bedämpfung des Resonators. Die Bedämpfung des Resonators kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden. So kann die Leistungszufuhr ermittelt werden, welche benötigt wird, um den Resonator bei einer konstanten Amplitude schwingen zu lassen. Es kann auch die zeitliche Verzögerung der Signale ermittelt werden, sofern der Resonator ausgeschalten ist. Eine weitere Möglichkeit der Messung ist die Frequenzermittlung des Resonators als Funktion eines Phasenwinkels zwischen angeregten und empfangenen Wellenformen. Je höher die Viskosität, umso höher ist der Frequenzwechsel für einen gegebenen Phasenwechsel.
Zusätzlich zur Viskosität kann durch den Cantilever auch die Dichte des Messmediums bestimmt werden. Somit ermittelt auch der vibrierende Sensor physikalische Eigenschaften des
Messmediums. Wie in Fig. 1-6 gezeigt, ist es möglich den ersten und den zweiten Sensor auf ein und demselben monolithischen Chip anzuordnen. Dieser Chip kann in MEMS-Bauweise
(Microelectromechanical Systems) ausgeführt sein.
In den speziellen Ausführungsbeispielen der Fig. 1-10 wird die Anregung des Cantilevers 18 durch eine elektromagnetische Anregung mittels eines Magnetfeldes, z.B. eines axialen Magnetfeldes, vorzugsweise erzeugt durch eine nicht-näher dargestellte Spule oder zumindest einen
Dauermagnet, erzeugt. Entsprechende Spulen, welche z.B. auf einer Leiterplatte geprintet vorliegen sind z.B. aus der DE 10 2012 102 979 A1 bekannt. Der Aufbau des Cantilevers ist in Fig. 2 B im Detail dargestellt. Man erkennt einen AC-Leiterschleife 15, welche bevorzugt an der Außenseite des Cantilevers angeordnet ist und ein senkrecht dazu ausgerichtetes Magnetfeld 16. Fließt nun am Cantilever 18 ein Messmedium, beispielsweise ein elektrisch-leitendes Medium vorbei, so wird der Cantilever in Schwingungen versetzt. Der Cantilever weist zudem einen Widerstand 17, vorzugsweise einen Piezowiderstand, auf, welcher sich je nach Amplitude der Schwingungen des Cantileverarms ändert. Der Piezowiderstand kann vorzugsweise als einteiliges Element, z.B. als einteilige Brücke, ausgestaltet sein oder als eine Brücke mit vier piezoresistiven Widerständen. Durch die AC-Anregung wird der Cantileverarm in Schwingungen Y versetzt. Diese Schwingungen werden je nach Viskosität des Messmediums unterschiedlich stark gedämpft. Diese Dämpfung kann über den Piezowiderstand erfasst werden. Dieses Prinzip ist in Fig. 4 im Detail dargestellt.
Der Cantilever ist dabei in einem rechteckigem Freiraum angeordnet und ist an dessen
Seitenwandung a zum ersten Bauteil hin angebracht.
Durch das Massendurchflussgerät können zumindest fünf physikalische Eigenschaften des
Mediums ermittelt werden. Dies betrifft insbesondere die Wärmeleitfähigkeit κ, die
Temperaturleitfähigkeit a, die Viskosität μ, die Dichte p und die spezifische Wärmekapazität pcp des Mediums. Mittels dieser Größen kann der thermische Massendurchfluss ermittelt und Störungen teilweise oder vollständig kompensiert werden.
Eine Beschreibung des Messverfahrens des zweiten Sensors ist in Fig. 12 dargestellt. Der zweite Sensor I.2 wird dabei in einem Anregungsschritt a2 durch beispielsweise eine elektromagnetische Anregung in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen in das Messmedium eingebracht und es werden je nach Eigenschaften des Messmediums Messwerte als Antwort auf die Anregung ermittelt. Die Messwerte können beispielsweise in Form eine Spannungssignals b2 in Abhängigkeit von den Dämpfungseigenschaften des Mediums auf die Schwingungen durch die Auswerteeinheit II.2 und unter Zuhilfenahme eines mathematisch-physikalischen Modells II.3 in physikalische Größen zur Beschreibung der Eigenschaften des thermisch-physikalischen Messmediums umgewandelt. Diese sind die Viskosität und/oder die Dichte des Messmediums.
Das erste Bauteil 2 weist zudem eine Metall-Lage 30 auf. Diese ist kleiner als 10μιη, vorzugsweise jedoch kleiner oder gleich 6μιτι. Aus diesem Film sind einzelne Segmente des ersten und/oder des zweiten Sensors 1 1 oder 31 und 12 sowie deren Kontakte 6 herausgebildet. Die Anordnung der Sensoren wurde auf die Anforderungen dahingehend optimiert, dass sie einfach integrierbar sind in ein Durchflussmessgerät mit einem integrierten Messkanal. Insbesondere im klein-dimensionierten Bereich von Durchflussmessgeräten sind solche optimierten Anordnungen bei der Messung von Mikrofluiden von Vorteil.
Neben einer Kostenersparnis kann auch eine schnellere Messung bei einem oder mehreren sich verändernden Medien oder eine sich verändernde Mediumszusammensetzung erfolgen.
Ein entsprechender Sensor kann vorzugsweise eine mediumszugewandte Oberfläche von weniger als 10 cm2 aufweisen und eine Sensordicke von weniger als 0,5 cm aufweisen. Der Messkanal hat dabei vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von weniger als 2mm. Das Durchflussmessgerät ist als thermisches Massendurchflussmessgerät ausgebildet. Dabei ermöglicht der erste Sensor 11 die Ermittlung des Massendurchflusses. Hierfür weist dieser Sensor verschiedene Sensorelemente auf.
Thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig
ausgestaltete beheizbare Sensorelemente, die in thermischem Kontakt mit dem durch den
Messkanal 20 strömenden Medium sind. Eines der beiden Sensorelemente ist ein sogenanntes aktives Sensorelement, das mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Dieses aktive Sensorelement wird nachfolgend als Heizer 11 b, 21 bezeichnet. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche
Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Sensorelement selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten der beiden weiteren Sensorelemente handelt es sich um ein sog. passives Sensorelement 1 1a, 11 c, 23 und 24: Es misst die Temperatur des Mediums und ist vorzugsweise in der Nähe des aktiven Sensorelements, des sog. Heizers, angeordnet. Darüber hinaus kann auch ein drittes Sensorelement als passives Sensorelement vorgesehen sein, welches ebenfalls in der Nähe des Heizers angeordnet ist. Idealerweise wird daher eine Abfolge der Sensorelemente in Strömungsrichtung bereitgestellt, welche aus dem zweiten Sensorelement 11 a, 24, dem Heizer 1 1 b, 21 und dem dritten Sensorelement 1 1 c, 23 besteht. Somit sind die jeweils passiven Sensorelemente in Strömungsrichtung beidseitig zum Heizer 11 b, 21 positioniert. Um eine höhere Sensitivität zu erhalten, können auch Thermistoren als passive Sensorelemente verwendet werden. Der Heizer bzw. dessen Einzelelemente kann vorzugsweise aus Chrom, Nickel und/oder Platin hergestellt werden. Es sind allerdings auch andere Materialien bekannt, welche als beheizbare Elemente in Frage kommen.
Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät ein beheizbares Sensorelement so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensorelement einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messkanal 20 kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Sensorelements wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als das beheizte Sensorelement, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Sensorelement abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste
Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensorelementen aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Sensorelement erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massed urchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch den Messkanal.
Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensorelementen. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massed urchfluss des Mediums durch den Messkanal.
Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Sensorelements notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch den Messkanal. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen
Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt.
Durch die Nähe des zweiten und dritten Sensorelements 11 c und 1 1a zum Heizer 1 1 b wird es zudem möglich ein Strömungsprofil zu ermitteln.
Zusätzlich zu den beiden Sensoren 1 1 oder 31 und 12 weist das Durchflussmessgerät optional einen dritten und/oder einen vierten Sensor 13, 14 auf. Diese optionalen dritten und vierten
Sensoren können beispielsweise aus Nickel bestehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide Sensorelemente 13 und 14 räumlich voneinander getrennt auf dem ersten Bauteil 2 im Bereich der Mediumsabführung 5 und Mediumszuführung 4 angeordnet. Sie messen die
Mediumstemperatur ohne Beeinflussung durch den Wärmeeintrag durch den Heizer 1 1 b, 21.
Eine Beschreibung des Messverfahrens ist in Fig. 11 dargestellt. Der Heizer wird dabei in einem Anregungsschritt a1 mit einem AC und DC-Signal angeregt. Dieses in das Messmedium eingebracht und es werden je nach Eigenschaften des Messmediums Messwerte als Antwort auf die Anregung ermittelt. Dies erfolgt durch den ersten Sensor 1.1. Die Messwerte in Form eines Temperatursignals b1 mit Amplituden und Phasen werden durch die Auswerteeinheit 11.1 und unter Zuhilfenahme eines mathematisch-physikalischen Modells 111.1 in physikalische Größen zur Beschreibung der
Eigenschaften des thermisch-physikalischen Messmediums umgewandelt. Diese sind die thermische Wärmeleitfähigkeit und/oder die Temperaturleitfähigkeit.
Die Temperatur des Mediums wird sowohl an den passiven Sensorelementen 1 1 a, 1 1c, 23, 24 und/oder am Heizer 1 1 b, 21 als Widerstandswerte oder als Spannungswerte ermittelt. Diese Temperatur-Messpunkte des Temperatursignals variieren und weisen daher eine Amplitude und eine Phase auf. Die Phase ist als ein Zeitversatz anzusehen, wobei das T-Signal gleich bleibt. Dieses Verhalten der Temperatur-Signale weist einen periodischen Verlauf auf, hervorgerufen durch die AC-Anregung des Heizers.
Aufgrund der Amplituden und der Phasen des Temperatursignals und dem Systemaufbau kann die Wärmeleitfähigkeit und die thermische Diffusivitat des umgebenden Mediums ermittelt werden. Dies geschieht in Abhängigkeit der Dimensionierung des Sensors und der einzelnen Sensorelemente zueinander. Somit trägt eine besonders bevorzugte Anordnung der Sensorelemente zueinander zu einer besseren Ermittlung der vorgenannten thermisch-physikalischer Parameter bei.
Die beiden Ausführungsbeispiele der Fig. 1 -4 und Fig. 5-8 sind in einer Vielzahl von Merkmalen identisch. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen ergibt sich vorrangig aus der Gestaltung und Betriebsweise des ersten Sensors, welcher zur Bestimmung der thermischphysikalischen Eigenschaften genutzt wird.
Die beiden Ausführungsvarianten zeigen jeweils die Ausgestaltung eines Sensors für
Massedurchflussmessgeräte. Der Sensor kann allerdings auch zur reinen Eigenschaftsbestimmung eines Mediums genutzt werden. Die Arbeitsweise soll nachfolgend bezüglich des ersten Sensors 1 1 oder 31 , welcher zur Ermittlung der thermisch-physikalischen Eigenschaften bestimmt ist, näher beschreiben werden.
Der in Fig. 1-6 abgebildete erste Sensor kann als ein Sensor 1 1 mit einem temperaturabhängigen Heizer beschrieben werden. Dieser arbeitet als Temperaturmesser. In dieser Anordnung umfasst der Heizer 1 1 b ein Heizelement, welches zugleich eine Temperaturmessung auf der dritten
Frequenz durchführt. Die AC-Rückmeldung des Heizers, die Wärmeleitfähigkeit κ und die spezifische Wärmekapazität pcp des Mediums können bestimmt werden. Dies kann anhand der 3omega Methode erfolgen.
Die 3-Omega-Methode ist eine Messmethode zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeiten von Medien, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten. Hierbei wird der auf das erste Bauteil aufgebrachte Heizer 1 1 b periodisch erwärmt und die dadurch entstehenden Temperaturoszillationen gemessen. Aus deren Frequenzabhängigkeit können die Wärmeleitfähigkeit und thermische Diffusivitat des Messmediums bestimmt werden.
Die 3-Omega-Methode ist an sich bekannt. Auf drei unterschiedlichen Frequenzen kann eine Signal- und/oder Energieübertragung erfolgen. Ausgehend von der 3-Omega Methode kann auf einer Frequenz ein Strom oder eine stromäquivalente Spannung zum Betreiben des Heizelements übertragen werden.
Eine zweite Frequenz kann die übertragene Wärme oder die dazu benötigte Leistung übermittelt werden.
Auf einer dritten Frequenz kann die gemessene Temperatur übermittelt werden.
V t) = I t) * R t)
= I0 * R o * [cos * w * t + (— * a * Tw * cos (
* cos(- * * t— φ)]
, wobei ω die Kreisfrequenz repräsentiert und l0 die zugeführte Stromstärke darstellt, t beschreibt die Heizdauer und wobei φ die Phasenverschiebung repräsentiert. Tw beschreibt die Amplitude der Temperatur am Messpunkt Aus dieser Formel geht der dreifache Frequenzterm hervor.
Im vorliegenden Fall kann für die Ausgestaltung des Sensors in Fig. 1-6 kann die
Temperaturdifferenzermittlung der -temperatursensoren str anhand des DC-Signals erfolgen, welches genutzt werden kann zur Berechnung des Durchflusses und/oder der
Durchflussgeschwindigkeit des Mediums nach dem kalorimetrischen Messprinzip.
Im Fall der Fig. 7-10 arbeitet der Heizer 21 temperaturunabhängig. Er besteht aus einem
Heizelement 21 A, 21 B, 21 C und einem oder mehreren Temperatursensorelementen 21 D. Das Heizelement 21 kann dabei nicht alleine als Sensor fungieren, sondern nur in Verbindung mit dem zusätzlichen Temperatursensorelement 21 D. In diesem Fall erkennt man aus Fig. 10A, dass das Heizelement um das Temperatursensorelement herum angeordnet ist. Das Heizelement kann aus zwei länglichen Segmenten 21 A und 21 C und einer Überbrückung 21 B bestehen, wie dies ebenfalls aus Fig. 10a erkennbar ist.
Durch diese Anordnung wird es dem Temperatursensorelement 21 D ermöglicht, die Temperatur des Mediums so nah wie möglich am Heizelement zu ermitteln. Wie bereits erläutert, wird die AC- Rückantwort dieses Temperatursensorelements 21 D genutzt zur Bestimmung der
Wärmeleitfähigkeit κ und die spezifische Wärmekapazität pcp des Mediums. Obgleich diese
Anordnung gegenüber der Variante aus Fig. 1-6 zunächst als aufwendiger in seiner Herstellung erscheint, so weist diese Anordnung einen geringeren Messaufwand auf, da bei dieser Anordnung keine so hohe Frequenz benötigt wird. Da das AC-Signal in der Anregungsfrequenz (omega) genutzt werden kann zur Messung, ist dieses Signal darüber hinaus stärker als das Signal der 3-omega Methode.
Der Durchfluss kann wie im vorhergehenden Beispiel durch Ermittlung der Temperaturdifferenz anhand der strömungsaufwärtig und ström ungsabwärtig vom Heizer 31 angeordneten passiven Sensorelemente 23 und 24 erfolgen. Der Heizer 21 und die beiden passiven Sensorelemente 23 und 24bilden in diesem Fall gemeinsam den ersten Senors 31.
Dabei erfolgt die Durchflussermittlung anhand des DC-Messsignals basierend auf dem
Kalorimetrischen Messprinzip.
Weitere alternative Designanordnungen der einzelnen Sensorelemente, also der passiven
Sensorelemente und/oder des Heizers sind denkbar und können durch entsprechende Designs ausgestaltet werden.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine entsprechende Designabwandlung ist in Fig. 13 dargestellt.
Fig. 13 zeigt lediglich schematisch eine alternative eines ersten Sensors für ein
Massendurchflussmessgerät. Dieser Sensor weist ein ringförmiges Heizelement 42 als Teil eines temperaturunabhängigen Heizers 45 auf. Dieser Heizer 45 weist zusätzlich zum Heizelement 42 zwei bogenförmige Temperatursensorelemente 43 auf. Dabei sind auch in diesem Fall die
Temperatursensorelemente 43 des Heizers 45 sehr nahe am Heizelement 42 angeordnet. Folglich ist der Heizer als aktives Sensorelement auch in diesem Fall aus einem Heizelement und einem oder mehreren Temperatursensorelementen aufgebaut. Der Heizer dient dabei zur Bestimmung der bereits erwähnten thermisch-physikalischen Eigenschaften des Mediums. Die
Temperatursensorelemente 43 werden asymmetrisch positioniert, vertikal zur Strömungsrichtung und nahe zum Heizelement 42, um soweit wie möglich den Einfluss der Strömung auf die Messung zu verringern. Durch Messung der Amplitude und der Phase des AC-Temperatursignals kann eine Kalkulation der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität des Mediums erfolgen. Darüber hinaus weist der erste Sensor zusätzlich zum Heizer 45 zwei bogenförmige passive Sensorelemente 44 auf. Diese dienen zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Durchflusses eines Messmediums M. Die strömungsaufwärtig und strömungsabwärtig zum Heizer 45 angeordneten Sensorelemente 44 ermöglichen die Bestimmung des Durchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit. Der zweite Sensor 12 kann ebenfalls unterschiedliche Ausgestaltungsvarianten aufweisen. Fig. 14 zeigt zwei miteinander verbundene Cantilever, welche außerhalb einer Ebene die entlang der Längsachse des Sensor verläuft und senkrecht zur Wandung α (wie in Fig. 2 und 10 dargestellt) verläuft, schwingen können. Alternativ können die Cantilever-Arme auch, wie in Fig. 15 gezeigt, übereinander angeordnet sein, ausgehend von der Seitenansicht des
Massendurchflussmessgerätes, wobei der Cantilever an der Wandung a, wie in Fig. 2 und 10 dargestellt, festgelegt ist. Dadurch verhält sich der Sensor wie eine Stimmgabel. Die
Schwingungsanregung kann durch elektromagnetische Anregung, piezoelektrische Anregung, thermische Anregung (bei bipolarem Verhalten) oder elektrostatische Anregung erfolgen.
Zusätzlich oder alternativ zu Cantilever-Elementen können auch planar-vibrierende Sensorelemente genutzt werden. Diese Sensorelemente können innerhalb der Ebene des ersten Bauteils bzw. innerhalb der Sensorchipebene schwingen.
Der detektierende Teil des zweiten Sensors kann vorzugsweise ein piezoresistiver Widerstand sein. Andere Mittel zur Detektion des Schwingungsausschlags des Sensors können ebenfalls verwendet werden, beispielsweise elektrostatische oder optische Mittel zur Detektion.
Die in Fig. 14 und 15 dargestellten Cantilever-Arme sind idealerweise miteinader in ihrer Eigenform gekoppelt. Das hat den besonderen Vorteil, dass keine Energieverluste zur Unterstützung der vibrierenden Sensorelemente auftreten.
Die Methode zur Ermittlung der thermisch-physikalischen Eigenschaften basiert auf dem
kalorimetrischen Prinzip. Dieses kann beispielsweise erreicht werden mit den vorbeschriebenen Ausführungsvarianten des ersten Sensors, so z.B. wenn ein überlagerter DC-Strom dem Heizer zugeführt wird.
Die kalorimetrische Ermittlung kann durch Messung der Wärmemenge, welche vom Heizer generiert wird und durch die Messung der Temperaturdifferenz der passiven Sensorelemente
strömungsaufwärtig und strömungsabwärtig vom Heizer erfolgen.
Dabei gelten folgende Zusammenhänge:
Equation
Principle
T = fth. amp .k, p * cp) eq. 1 Thermal Sensor amplitude (temperature)
A<Pth = f'th. phase(k, P * p) eq. 2 Thermal Sensor Phase (temperature) w = fvlsc. am i ' P) eq. 3 Vibratinq element amplitude (displacement) ( vib f vlsc. phase(.P-> ) eq. 4 Vibratinq element phase (displacement) Qheater
pu =
ACpATUp_d0 eq. 5 Calorimetric principle
Nomenklatur
μ Dynamic viscosity [kg/ms] ω Angular frequency [rad/s] φ Phase [rad] cp Specific heat capacity f Frequency [Hz] k Thermal conductivity [W/mK]
1 Characteristic length [m]
Qneater Heat flow [W] p Density[kg/m3] u Flow velocity [m/s]
T Temperature [K] w Displacement [m] f Temperature amplitude [K]
A<Pth Temperature phase shift [rad] w Displacement amplitude [m]
ΔφνίΙ) Phase shift of vibrating element between excitation and displacement
Durch die vorgenannten Zusammenhänge gelingt es ein System mit 5 Unbekannten, die Temperaturleitfähigkeit k , die Viskosität μ, die Dichte p, die-spezifische Wärmekapazität cp des Mediums und die Geschwindigkeit zu ermitteln. Alle weiteren Konstanten werden durch Messung ermittelt oder sind Konstanten. Ausgehend von diesen Zusammenhängen gelingt eine gasunabhängige thermische Durchflussmessung, da eine Selbstkorrektur erfolgen kann. Dies ist insbesondere bei einem
Mediumswechsel oder bei einer Änderung der Medienzusammensetzung von Vorteil.
Um den Massend urchfluss pu aus der oben-genannten Funktion 5 zu ermittelt, sollte die
Wärmekapazität cp ermittelt werden um eine Selbstkorrektur des Massendurchflusses zu erreichen. Dies kann durch Lösung der Funktionen 1-4 erfolgen. Durch Lösung der oben genannten
Funktionen können die Werte von vier Eigenschaften ermittelt werden, welche zusätzliche
Informationen bezüglich des Messmediums enthalten. Die Gleichungen 1-4 sind in allgemeiner Form dargestellt. Sie beschreiben die Frequenz-Antwort des ersten Sensors und des zweiten Sensors. Verschiedene Modelle wurden von unterschiedlichen Forschern angeboten, um diese Funktionen zu ermitteln. Die unterschiedlichen Modelle sind in den oben-genannten wissenschaftlichen Artikeln zum Stand der Technik näher erläutert, wobei auf diese Offenbarungsstellen ausdrücklich im Rahmen der Erfindung Bezug genommen wird.
Diese komplexen Modelle können in der oben dargestellten allgemeinen Form dargestellt werden.
Die in Fig. 1-15 dargestellten Massedurchflussmessgeräte weisen zudem eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit auf. In Fig. 16 ist ein Verfahrensschema angegeben, welches durch die Auswerteeinheit ausführbar ist. Die Auswerteeinheit muss nicht zwingend mechanisch mit dem Sensor verbunden sein, sondern kann auch von diesem abgesetzt sein und mit diesem, z.B. durch Kabelverbindung oder per Wireless-Verbindung oder dergleichen, kommunizieren.
Diese Auswerteeinheit greift auf eine Datenbank 101 zu. Diese ist auf einem innerhalb der
Auswerteeinheit angeordneten Datenspeicher abgelegt. Alternativ kann es sich auch um einen externen Datenspeicher, z.B. auf einem externen Server, handeln, von welchem die Auswerteeinheit die Daten abruft bzw. mit welchem die Auswerteeinheit kommuniziert.
Die Auswerteeinheit kann über verschiedene Betriebsmodi verfügen, welche nachfolgend im Detail näher erklärt werden:
Ein erster Betriebsmodus ermöglicht zumindest die Konzentrationsangabe 102, den Massenanteil, den Volumenanteil und/oder den Partialdruck einer Komponente eines Gas- und/oder
Flüssigkeitsgemisches oder Lösungen aus zumindest zwei oder mehr Komponenten.
Die Auswerteeinheit umfasst eine Recheneinheit 103, welche Zugriff auf die vorgenannte Datenbank hat. Die Datenbank umfasst zumindest einen Datensatz an physikalischen Fluideigenschaften für reine Gase und/oder Flüssigkeiten. Diese Datensätze umfassen zumindest zwei Fluideigenschaften ausgewählt aus der Dichte, der Viskosität, der thermischen Wärmeleitfähigkeit und/oder der spezifischen Wärmekapazität.
Sie kann jedoch auf alle vier vorgenannten Fluideigenschaften erweitert werden. Darüber hinaus kann der Datensatz auch Angaben der vorgenannten Fluideigenschaften bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen 104 umfassen. Weiterhin können auch Datensätze für zwei- oder mehrkomponentige Fluidgemische, also Flüssigkeits- und/oder Gasgemische oder für Lösungen, z.B. Salzlösungen, hinterlegt sein. So können z.B. bei binären Gasgemischen jeweils die Dichte, die Viskosität, die die thermische Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und/oder die Temperaturleitfähigkeit für verschiedene Mischungsverhältnisse, z.B. 1 :9, 2:8, 3:7, 4:6 und 5:5 aufweisen. Selbstverständlich ist ein ähnliches Vorgehen auch für ternäre oder quaternäre
Flüssigkeits- und/oder Gasgemische vorstellbar.
Die vom Sensor ermittelten Messwerte 106, aus welchen die Dichte, die Viskosität, die thermische Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität und/oder die Temperaturleitfähigkeit des Fluidgemisches ermittelbar sind, werden vom Sensor an die Auswerteeinheit gesendet, in die vorgenannte Fluideigenschaften umgerechnet und mit denen in der Datenbank hinterlegten Datensätzen verglichen.
Bei Übereinstimmung der Messwerte oder den daraus berechneten Fluideigenschaften mit einem spezifischen Datensatz kann beispielsweise der Anteil oder die Konzentration der Komponenten angegeben werden.
Mit den vorbeschriebenen Sensoren kann insbesondere für Gaszusammensetzungen genutzt werden. So kann die Dichte, die Viskosität, die thermische Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität durch ein- und denselben Sensor ermittelt werden. Dies macht es besonders vorteilhaft möglich ohne zusätzliches Vorwissen direkt die Anteile bzw. Konzentrationen der Komponenten zu bestimmen.
Falls weniger Informationen bezüglich der Fluideigenschaften vom Sensor zur Verfügung gestellt werden oder um eine genauere Bestimmung zu ermöglichen, so können weitere Betriebsmodi gewählt werden.
Ein zweiter Betriebsmodus ermöglicht die Einbeziehung von Vorwissen 105. Es ist beispielsweise möglich, bereits in das Gerät alle oder einzelne in Frage kommenden Gaskomponenten des Gasgemisches vorzugeben. Die Auswerteeinheit kann in diesem Fall nur die Datensätze abfragen, in denen die entsprechenden Gaskomponenten vorhanden sind, wodurch die Auswertung genauer und mit geringeren Fehlern erfolgt.
Ein erster Unterbetriebsmodus des zweiten Betriebsmodus ermöglicht die Vorgabe der Anzahl der Komponenten 107. Dadurch kann z.B. die Auswerteeinheit bei geringen Störungen weitere
Komponenten in dem Gasgemisch ausschließen.
Ein zweiter Unterbetriebsmodus des zweiten Betriebsmodus ermöglicht die Vorgabe der Art eines oder mehrerer Komponenten 108. Die Komponenten können z.B. Methan sein. In diesem Fall werden nur die Anzahl an Datensätzen mit Gasgemischen abgerufen, welche Methan als
Komponente aufweisen.
In einem weiteren Betriebsmodus kann der Nutzer eine Konzentrationsvorgabe 109 einstellen, beispielsweise eine Minimalkonzentration an Kohlendioxid. Die Auswerteeinheit kann derart programmiert sein, dass eine Plausibilitätsabfrage erfolgt, sofern die durch Vergleich der
Fluideigenschaften ermittelte Konzentration geringer ist als die Minimalkonzentration. In diesem Fall würde dies auf einen Fehler der Messung hindeuten und ggf. als Fehlermeldung 1 1 1 ausgegeben werden.
Mit den vorbeschriebenen Sensorvarianten ist es zudem möglich, die Temperatur des
Fluidgemisches zu bestimmen. Diese ermittelte Temperatur kann vorzugsweise bei der Ermittlung der richtigen Datensätze berücksichtigt werden. Gleiches gilt für den Druck. Hierfür kann beispielsweise ein zusätzlicher Drucksensor vorgesehen sein.
Die Auswerteeinheit ermöglicht zudem eine Prozessregelung. So ist es beispielsweise möglich, sofern sich eine erste Komponente eines Gases ändert, auch die Konzentration der zweiten Komponente entsprechend zu regeln, z.B. über ein Druckregelventil, um so eine vom Nutzer vorgenommene Voreinstellung bzw. Vorgabe betreffend der Mindestkonzentration der zweiten Komponente zu erfüllen.
Ein Vergleich zwischen aus den Messwerten ermittelten Fluideigenschaften und den in der Datenbank abgelegten Datensätzen wird bereits ab zwei Fluideigenschaften theoretisch möglich, wobei die beiden Fluideigenschaften ausgewählt sind aus der Dichte, der Viskosität, der thermischen Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit und/oder der spezifischen
Wärmekapazität, oder daraus ableitbaren physikalischen Größen. Die entsprechende Bestimmung der Anteile, Konzentrationen und/oder Partialdrücke kann sowohl unter Anwendung der idealen Gasgleichung erfolgen oder für reale Gase. Im letzeren Fall können mathematische Mischungsmodelle und entsprechende Software-Programme genutzt werden, um die Berechnung zu vereinfachen.
Gegebenenfalls können auch zum Abgleich oder zur Verbesserung der Genauigkeit Messwerte anderer Sensoren 1 10, so z.B. die Schallgeschwindigkeit im Fluidgemisch ermittelt und bei der Konzentrationsberechnung berücksichtigt werden. Es ist bekannt, dass einzelne Ultraschall- Durchflussmessgeräte bereits Konzentrationen einiger Komponenten bestimmen können. Von der Anmelderin wird beispielsweise ein entsprechendes Messgerät unter dem Titel„Proline Prosonic B200" für die Biogasmessung verkauft.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben eines Messgerätes, insbesondere eines Durchfluss-Messgerätes, zur Bestimmung der Konzentration, des Volumenanteils, des Massenanteils und/oder des Partialdruckes zumindest einer Komponente in einem mehrkomponentigen Messmedium wobei das Messgerät zumindest
Aeinen ersten Sensor (1 1 , 31 , 41 ) aufweist, zur Bestimmung einer ersten thermischphysikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der Wärmeleitfähigkeit κ, der
Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität cp des Messmediums aufweist,
und wobei das Messgerät zumindest
Beinen zweiten Sensor (12) aufweist, welcher zur Bestimmung der Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums (M) vorgesehen ist,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte
a) Bereitstellen von Informationen hinsichtlich der Art der möglichen Komponenten des Messmediums;
b) Bereitstellen von Datensätzen bezüglich der Fluideigenschaften, nämlich der Viskosität, der Dichte, der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der spezifischen
Wärmekapazität und/oder darauf rückführbare Werte für Einzelkomponenten und/oder Komponentengemische, welche mit den Fluideigenschaften korrespondieren, welche durch den ersten und den zweiten Sensor bestimmt werden;
c) Ermitteln von Messwerten des ersten und des zweiten Sensors, mit welchen zumindest zwei Fluideigenschaften des mehrkomponentigen Messmediums rückführbar, insbesondere berechenbar, sind, wobei eine erste Fluideigenschaft ausgesucht ist aus der Viskosität des Messmediums und der Dichte des Messmediums und eine zweite Fluideigenschaft ausgesucht ist aus der Wärmeleitfähigkeit des Messmediums, der Temperaturleitfähigkeit des Messmediums oder der spezifischen Wärmekapazität des Messmediums
d) Ermittlung einer Konzentration, eines Masseanteils, eines Volumenanteils und/oder eines Partialdrucks zumindest einer Komponente des mehrkomponentigen
Messmediums anhand der Messwerte oder zumindest zwei der daraus ermittelten Fluideigenschaften und den Datensätzen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) Messwerte ermittelt werden, auf weiche zumindest drei der Fluideigenschaften rückführbar sind und dass in Schritt d) die Ermittlung anhand dieser Messwerte oder zumindest der drei Fluideigenschaften mit den Datensätzen erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) Messwerte ermittelt werden, auf welche zumindest vier der Fluideigenschaften rückführbar sind und dass in Schritt d) die Ermittlung anhand dieser Messwerte oder zumindest der drei
Fluideigenschaften mit den Datensätzen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des mehrkomponentigen Mediums ermittelt wird und bei der Berechnung der Konzentration, des Masseanteils, des Volumenanteils oder des Partialdrucks der zumindest einen Komponente des mehrkomponentigen Messmediums berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des mehrkomponentigen Mediums in einem Messrohr oder Messkanal des
Messgerätes ermittelt wird und bei der Berechnung der Konzentration, des Masseanteils, des Volumenanteils oder des Partialdrucks der zumindest einen Komponente des
mehrkomponentigen Messmediums berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung in Schritt d) durch einen Vergleich der Datensätze mit den Messwerten oder zumindest zwei der daraus ermittelten Fluideigenschaften aus Schritt c) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zudem folgende weitere Schritte erfolgen:
• Bereitstellen von Daten hinsichtlich zumindest eines Grenzwertes einer Konzentration, des Partialdruckes, des Massenanteils oder des Volumenanteils einer Komponente; und
• Ausgabe eines Hinweises bei Überschreitung und/oder Unterschreitung des
Grenzwertes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabe, insbesondere eine visuelle Anzeige, der Konzentration, des Masseanteils, des Volumenanteils oder des Partialdrucks der zumindest einen Komponente des
mehrkomponentigen Messmediums durch eine Ausgabeeinheit erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Messwerte oder eine oder mehrere weitere Fluideigenschaften, insbesondere die Schallgeschwindigkeit, welche eine Bestimmung der Konzentration, des Massenanteils, des Volumenanteils und/oder des Partialdruckes einer oder mehrerer Komponenten ermöglichen, gemessen werden und der Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden.
10. Messgerät, insbesondere thermisches Durchflussmessgerät, wobei das Messgerät
zumindest
Aeinen ersten Sensor (11 , 31 , 41 ) aufweist, zur Bestimmung einer ersten thermischphysikalische Eigenschaft, ausgesucht aus der thermischen Wärmeleitfähigkeit κ, der Temperaturleitfähigkeit α und/oder der spezifischen Wärmekapazität cp des Messmediums aufweist,
und wobei das Messgerät zumindest
Beinen zweiten Sensor (12) aufweist, welcher zur Bestimmung der Viskosität μ und/oder der Dichte p des Messmediums (M) vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät eine Auswerteeinheit aufweist, welche ausgebildet ist zur Ermittlung der Konzentration, eines Volumenanteils, eines Masseanteils oder eines Partialdrucks zumindest einer Komponente eines mehrkomponentigen
Messmediums.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016109250A1 (de) 2016-05-19 2017-11-23 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von zumindest einer oder mehreren Komponenten in einem mehrkomponentigen Stoffgemisch
US20200333273A1 (en) * 2018-01-05 2020-10-22 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, methods and computer programs
US11454622B2 (en) 2018-01-05 2022-09-27 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Gas sensor, and method for operating the gas sensor

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016121226A1 (de) 2016-11-07 2018-05-09 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
DE102016124910A1 (de) * 2016-12-20 2018-06-21 Endress+Hauser Flowtec Ag Gasanalysator und Gasanalysevorrichtung
DE102017106904A1 (de) * 2017-03-30 2018-10-04 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen der Methanzahl eines kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasgemischs
DE102018210387B4 (de) * 2018-06-26 2023-03-23 Robert Bosch Gmbh Sensorvorrichtung und Verfahren zum Detektieren von Gasen
EP3968118B1 (de) 2020-09-15 2022-11-09 Flexim Flexible Industriemesstechnik GmbH Verfahren zur bestimmung eines mittleren gehalts einer komponente in einem fliessenden stoffgemisch
GB202115660D0 (en) * 2021-11-01 2021-12-15 Edwards Vacuum Llc Detecting contamination of a cryogenic refrigerant in a cryogenic refrigeration system
DE102022212390A1 (de) 2022-11-21 2024-05-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur selektiven Messung von Gaskonzentrationen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5165292A (en) * 1985-12-09 1992-11-24 Ottosensors Corporation Channel Device and tube connection and their fabrication procedures
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
US20040252748A1 (en) * 2003-06-13 2004-12-16 Gleitman Daniel D. Fiber optic sensing systems and methods

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6076392A (en) * 1997-08-18 2000-06-20 Metasensors, Inc. Method and apparatus for real time gas analysis
WO2002077613A2 (en) * 2001-03-23 2002-10-03 Services Petroliers Schlumberger Fluid property sensors
EP2009431A1 (de) * 2006-03-28 2008-12-31 Mitsui Mining and Smelting Co., Ltd Vorrichtung und verfahren zur identifizierung von flüssigkeiten
DE102012102979A1 (de) 2012-04-05 2013-10-24 Endress + Hauser Flowtec Ag Durchflussmessgerät, Messrohr sowie Verfahren zur Herstellung eines Durchflussmessgeräts

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5165292A (en) * 1985-12-09 1992-11-24 Ottosensors Corporation Channel Device and tube connection and their fabrication procedures
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
US20040252748A1 (en) * 2003-06-13 2004-12-16 Gleitman Daniel D. Fiber optic sensing systems and methods

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016109250A1 (de) 2016-05-19 2017-11-23 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von zumindest einer oder mehreren Komponenten in einem mehrkomponentigen Stoffgemisch
US20200333273A1 (en) * 2018-01-05 2020-10-22 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, methods and computer programs
CN112055811A (zh) * 2018-01-05 2020-12-08 汉席克卡德应用研究协会 用于热学气体传感器的评估装置、方法和计算机程序
US11454622B2 (en) 2018-01-05 2022-09-27 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Gas sensor, and method for operating the gas sensor
AU2022200416B2 (en) * 2018-01-05 2023-06-15 GS Elektromedizinische Geräte G. Stemple GmbH Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, methods and computer programs
US11686695B2 (en) * 2018-01-05 2023-06-27 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, methods and computer programs
CN112055811B (zh) * 2018-01-05 2023-12-26 汉席克卡德应用研究协会 用于热学气体传感器的评估装置、方法和计算机可读介质
US11874242B2 (en) 2018-01-05 2024-01-16 Habn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. Evaluation arrangement for a thermal gas sensor, methods and computer programs

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