WO2018185008A1 - Method for ascertaining a property of a fluid and sensor device for this purpose - Google Patents

Method for ascertaining a property of a fluid and sensor device for this purpose Download PDF

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WO2018185008A1
WO2018185008A1 PCT/EP2018/058186 EP2018058186W WO2018185008A1 WO 2018185008 A1 WO2018185008 A1 WO 2018185008A1 EP 2018058186 W EP2018058186 W EP 2018058186W WO 2018185008 A1 WO2018185008 A1 WO 2018185008A1
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WO
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fluid
heating element
time
determined
electrical resistance
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PCT/EP2018/058186
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Inventor
Rupert SCHREINER
Christoph Langer
Stephan Heinrich
Torsten Reitmeier
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining at least one property of a fluid, in particular a method for determining the calorific value of the fluid, preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture, and a sensor device for determining at least one property of a fluid, in particular the calorific value of the Fluids, preferably a gas mixture, such as a Erd ⁇ gas mixture.
  • a gas mixture such as a natural gas mixture
  • a sensor device for determining at least one property of a fluid, in particular the calorific value of the Fluids, preferably a gas mixture, such as a Erd ⁇ gas mixture.
  • a gas mixture such as a Erd ⁇ gas mixture.
  • Natural gas is herein at ⁇ play around the components methane, ethane, propane, butane, carbon dioxide and nitrogen.
  • the non-combustible gases carbon dioxide and nitrogen play in Ver ⁇ incineration regard knock resistance an important role. Since this selective measurement is very difficult and with a considerable measurement effort is possible, often correlative techniques are applied, with which from individual independent physical quantities, such. As density, speed of sound, thermal conductivity, specific heat capacity or viscosity, the composition or properties of the corresponding mixture is determined.
  • the calorific value is that physical quantity of a gas mixture which is relevant for setting the combustion parameters in an internal combustion engine of a vehicle.
  • Another combustion-relevant variable is the amount of oxygen required for a stoichiometric combustion.
  • thermal conductivity or Thermal conductivity ⁇ ness can be determined relatively easily by temperature sensitive probes, so the specific heat capacity can be achieved only by expensive equipment and conditions in combination with defined set measurement.
  • thermal conductivity also called temperature code
  • the thermal diffusivity is a material property that is used to describe the temporal change in the spatial distribution of the temperature due to heat conduction as a result of a temperature gradient. It is often specific to the material and is made up of the quotient of thermal conductivity and the product of density and specific heat capacity ⁇ fishing. By measuring the individual quantities mentioned in this formula, the temperature conductivity can be calculated from this. Consequently, the two physi ⁇ cal variables thermal conductivity and thermal conductivity are different physical quantities.
  • the thermal diffusivity as a material property is also suitable for the characterization of fluids, in particular gas mixtures, such as natural gas mixtures, and can be used as an input for correlation calculations for determining fluid properties.
  • gas mixtures such as natural gas mixtures
  • the convection and radiation are negligible.
  • an improved Pirani sensor in which the measuring element is arranged in the fluid between a base plate and a heat sink.
  • the measuring element is held by suspensions in the correct position.
  • the suspensions are connected to the base plate and a separate heating element is in turn thermally conductive with the suspensions.
  • the Pirani sensor detects the heat losses through the fluid to the heat sink while balancing the heat losses to the suspensions with the separate heating elements. This compensates for the parasitic heat losses from the Pirani sensor to the suspension.
  • EP 1 409 963 B1 discloses a sensor for generating a signal which has a predetermined physical parameter.
  • the sensor includes a sensor element, to which a drive signal can be applied and dependent on the réelle ⁇ voted physical parameter and the control signal generates an output signal.
  • a driving means is provided in such a manner applies the driving signal having a predetermined waveform to the sensor element, that the output signal of the sensor element reaches a predetermined smoldering ⁇ lenwert.
  • a time measuring circuit of the sensor detects the time duration until which the output signal reaches the aforementioned threshold value from a predetermined starting value of the output signal and generates from the time duration the signal indicating the physical parameter.
  • DE 10 2013 220 908 AI relates to a sensor element with a measuring element and a measuring ⁇ the housing at least partially um ⁇ giving, designed as Kunststoffmoldgeophuse functional ⁇ housing.
  • the measuring element is in this case designed as a hotplate, which is largely thermally decoupled by means of narrow arms mounted on a carrier substrate.
  • a fluid in particular a gas mixture, such as a natural gas mixture
  • This object is achieved by a method according to independent claim 1 and a sensor device according to independent claim 8.
  • Preferred embodiments are specified in the subclaims.
  • the invention is based at least partially on the idea to determine the thermal diffusivity of the fluid by means of a suitable measuring structure and to determine therefrom at least one self- ⁇ shaft of the fluid by means of suitable mathematical calculations correla ⁇ tion. This will be the physical n
  • the temperature-dependent resistance is differently sensitive with suitable control with electrical power to the present fluid, in particular gas mixture, such as natural gas mixture.
  • the thermal conductivity and the thermal conductivity can be determined with the aid of the temperature-dependent resistor, to the fact, as close ⁇ derum as described above on at least one property, such as z.den calorific value of the fluid by means of the correlation calculations.
  • a liquid fuel such as gasoline
  • the operating ⁇ parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted so that the engine can be started with natural gas.
  • a method for determining at least one property of a fluid preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture.
  • a Sensorvor ⁇ direction is provided, which can come into contact with the fluid and having a heating capacity can be acted upon with electrical heating element with temperature-dependent resistance.
  • the Invention ⁇ contemporary method comprises exposing the heating element with a predetermined electrical heating power for a predetermined time period, detecting a temporal progression of the electrical resistance of the heating element characterization ⁇ leaders electrical quantity during the predetermined period of time, a determination of the temperature conductivity of the fluid at least based in part on the detected time history of the electrical quantity and determining at least one property of the fluid based at least in part on the determined thermal conductivity of the fluid.
  • the electrical quantity is preferably the voltage drop across the heating element during the predetermined period of time during which the heating element is supplied with an electric current for supplying the predetermined electrical heating power.
  • the electrical size of the current flowing through the heating element ⁇ electric current during the predetermined time period during which is applied the voltage for supplying the predetermined electrical heating power to the heating element.
  • the inventive method further comprises determining a time profile of the electrical resistance of the heating element based at least partially on the detected time profile of the electrical variable and the electrical heating power.
  • the at least one property of the fluid is determined at least partially based on the determined time profile of the electrical resistance of the heating element.
  • the time characteristic of the electrical resistance of the heating element taking into account the predetermined heating power, can be determined via the ohmic law from the time profile of the electrical variable, that is to say via the electrical voltage or the electric current.
  • the determination of the thermal conductivity is also based at least in part on the determined profile of the electrical resistance of the heating element.
  • the sensor device used has a structure similar to a Pirani vacuum gauge.
  • the sensor device compared to a Pirani vacuum gauge only one used as a heat source and heat sink Schu ⁇ element, which is characterized by a temperature-dependent resistance.
  • the method according to the invention further comprises determining the density of the fluid.
  • the determination of the temperature conductivity of the fluid based advantageously at least partly on which it ⁇ mediated density.
  • the density of the fluid is determined by determining a speed of sound in the fluid by emitting and detecting ultrasound waves coupled into the fluid.
  • the determination of the at least one property of the fluid is preferably also based at least in part on the determined sound velocity.
  • the application of the heating element with electrical heating power comprises applying a predetermined electric current pulse to the heating element for the predetermined period of time.
  • the Beauf ⁇ beat of the heating element with electrical heating power can apply a predetermined electrical voltage to the heating element for the predetermined period of time.
  • the inventive method further comprises determining a time constant 0
  • the determination of the thermal conductivity of the fluid and / or the at least one property of the fluid is based at least partially on the determined time constant.
  • a time constant is determined based on the detected time profile of the electrical quantity. May be selected from the thus determined time constant then ge ⁇ joined directly to the at least one property of the fluid, or additionally or alternatively on the tem- peraturleitdate of the fluid.
  • the method according to the invention further comprises determining a resistance difference between a first electrical resistance of the heating element at the beginning of the predetermined period of time and a second electrical resistance of the heating element at the end of the predetermined period of time.
  • the determination of the at least one property of the fluid based on ⁇ least partly on the determined difference in resistance. It is even more advantageous if further comparison, the inventive drive determining a thermal conductivity of the fluid at least partially based on the determined resistance ⁇ difference has.
  • the time constant which preferably corresponds to the rise time to the predetermined portion of the detected second electrical resistance at the end of the predetermined period, may be proportional to the temperature conductivity.
  • the determined resistance ⁇ difference may be proportional to the thermal conductivity of the present fluid. The two thus determined parameters of temperature and thermal conductivity can then be used as input ⁇ sizes of mathematical correlations for the characterization of the fluid, in particular of the gas mixture, such as the natural gas mixture.
  • characterization of the fluid can then be relevant for setting the combustion parameters of the internal combustion engine for the vehicle operating parameters, such as calorific value, methane number, Wobbe index, oxygen or. Air requirements for the stoichiometric combustion, etc., to be determined.
  • the predetermined heating power which is applied to the heating element for the predetermined period of time, an increasing ⁇ the, falling, sudden, triangular and / or sinusoidal time course.
  • a sensor device for determining at least one property of a fluid, preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture.
  • the sensor ⁇ inventive device comprises a carrier substrate, which has at least one recess, and a valve disposed on the carrier substrate sensor ⁇ substrate, which is a sensor portion which at least partially located ⁇ above the recess of the carrier substrate, and at least one deepening The connection of the carrier substrate at least partially surrounding connection area.
  • the sensor is rich by at least two narrow arms so attached to the at least one connection region, that the sensor region of the at least one connection region is substantially thermally decoupled.
  • the sensor device according to the invention also has a heating element arranged on and / or in the sensor region with a temperature-dependent resistance.
  • the heating element is manufactured in MEMS construction. It is even more preferable if the heating element has a meandering shape.
  • the micromechanical structure of the sensor device with the free ⁇ bearing structure of the heating element has the advantage that the parasitic effect of the thermal conductivity of the solid state of the sensor device can be minimized and compensated by introducing correction terms in the temperature value equation or at least partially minimized.
  • the sensor device according to the invention further comprises a control device which is designed to carry out a method according to the invention.
  • the control device is designed to control the heating element according to the method according to the invention and to carry out the evaluations according to the invention.
  • the sensor device according to the invention has a structure which is similar to the structure of a so-called hotplate.
  • a hotplate can provide for a thermal decoupling of the heating element, which is also the sensor element, from the corresponding contact / bonding points on the sensor substrate, which are contacted with a connection circuit.
  • the detected parameters such as thermal conductivity
  • thermal conductivity which can be determined based on the resistance difference
  • density which are determined at least one property of the fluid.
  • the mathematical correlation can be, for example, a polynomial function or an exponential function of the detected parameters.
  • the detected parameters temperature, conductivity, thermal conductivity and density can be per ⁇ wells provided an exponent and multiplied together with to determine a value from which it can at least derive a characteristic of the fluid, such as the calorific value of the fluid.
  • the detected or determined electrical quantities and / or the time constants and / or the differences formed can also be used in the mathematical correlation.
  • FIG. 1 shows a plan view of a sensor ⁇ device according to the invention
  • Fig. 2 shows a sectional view of the sensor device of Fig. 1 along the line II-II shows, in which the
  • FIG. 3 shows the sensor device shown in FIG. 2 at a later production time
  • 4 shows the sensor device shown in FIG. 3 at an even later time of manufacture
  • 5 is a diagram showing the time course of a temperature-dependent resistance of a heating element for two different fluids
  • FIG. 8 is a graph showing the time histories of electric current, voltage, and temperature that result according to the further exemplary method of FIG. 7;
  • Fig. 10 11 represents the temperature-dependent profile of the thermal conductivity of which is shown in Fig. 9 fluids shown, and Fig. The temperature-dependent variation of the temperature conductivity for the in Figs. 9 and 10 Darge ⁇ presented fluids.
  • the at least one property of the fluid which is determined by means of the method according to the invention and the sensor device according to the invention, describes a combustion-relevant size of the fluid, such as the calorific value of the fluid, the amount of oxygen required for stoichiometric combustion of the fluid, etc. It should be emphasized that that does not include at least one self- ⁇ shaft of the fluid, the temperature of the fluid. Fig.
  • the sensor device 100 has a substantially planar micromechanical structure (MEMS).
  • MEMS micromechanical structure
  • the sensor device 100 has a sensor substrate 120 applied to a carrier substrate 110, in and / or on which in turn a heating element 130 in the form of a meander is provided.
  • a carrier substrate 110 which preferably consists of silicon
  • a recess 112 is provided (see also FIG. 4), wherein the sensor substrate 120 extends at least partially over the recess 112.
  • the sensor substrate 120 which preferably consists of silicon nitride, has a sensor region 122 and two connection regions 124, 126.
  • the connection regions 124, 126 are connected to the sensor region 122 via narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D such that the sensor region 122 is substantially thermally decoupled from the connection regions 124, 126.
  • the heating element 130 is connected via connecting lines, which run on and / or in the narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D, respectively in and / or at the connection areas 124, 126 of FIG Sensor substrate 120 arranged connecting elements 142, 144 electrically connected and can be controlled by a control device (not explicitly shown in the drawings).
  • the connecting elements 142, 144 are preferably made of gold.
  • the heating element 130 has a temperature-dependent electrical resistance.
  • the sensor device 100 of FIG. 1 is a micromechanical structure, i. H. that the sensor device 100 is manufactured in so-called MEMS construction.
  • FIGS. 2 to 4 a manufacturing process of the micromechanical sensor device 100 is described by way of example. 2 to 4 each show a section through the sensor device 100 shown in FIG. 1 along the line II-II of FIG. 1 at different times during the manufacturing process of the MEMS structure.
  • the sensor device 100, the carrier substrate 110, on which the sensor substrate 120 is set ⁇ introduced, in which the heating element 130 and the connection ⁇ elements 142, 144 are at least partially introduced (see FIG. 2).
  • the sensor substrate 120, the heating element 130 and the connecting elements 142, 144 have already been deposited.
  • the sensor substrate 120 is dry-etched in such a way that at least the structure of the heating element 130, in particular in the sensor region 122 of the sensor substrate 120, is released ⁇ (see Fig. 3).
  • the sensor region 122 of the sensor substrate 120, in and / or on which the heating element 130 is arranged is exposed such that the four narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D are formed, which are designed to carry the sensor area 122 together with the heating element 130.
  • the recess 112 has a length of about 1 mm to about 2 mm, with the support substrate 110 having dimensions of about 5 mm in length, about 6 mm in width, and about 1 mm in height.
  • the sensor device 100 is preferably arranged in the fuel delivery system of an internal combustion engine (not shown).
  • the natural gas-powered internal combustion engine may for this purpose have a natural gas tank, in which usually the natural gas under a pressure between about 200 and 250 bar is held up.
  • the natural gas tank may be connected to the combustion chambers of the internal combustion engine via a filter, which is also connected to the ambient air for sucking in the ambient air, and a pressure regulator. At a point downstream of the pressure regulator there is a pressure of, for example, a maximum of 20 bar.
  • the sensor device is preferably mounted at a position downstream of the pressure regulator and upstream of the combustion chambers. Consequently, with the sensor device 100 according to the invention, the thermal conductivity of that natural gas mixture can be detected which is immediately before combustion.
  • the internal combustion engine can be operated in an effective and efficient manner with optimized Be ⁇ operating parameters with knowledge of the determined temperature conductivity, calorific value, the methane number, etc.,.
  • the sensor device 100 shown in FIGS. 1 to 4 can be used to detect the thermal diffusivity of the fluid to be measured according to the method shown in FIG. 6 or according to the method shown in FIG. 7, in each case that shown in FIG. 5 shown context is at least partially taken advantage of.
  • FIG. 5 shows time courses of the temperature-dependent resistance R of the heating element 130 which has come into contact with different fluids F1, F2 and has been applied with a predetermined heating power for a predetermined period of time ⁇ t.
  • the heating element 130 for the certain period of time before ⁇ At was charged with a predetermined current pulse.
  • the predetermined period of time At is about 60 ms, for example.
  • the greater the pressure of the fluid the greater the predetermined time period ⁇ t. That is, the heating element 130 for the predetermined period of time At with the predetermined current pulse is applied, for example, a constant current pulse of about 2 mA to about 4 mA.
  • the electrical resistance R of the heating element 130 is detected. For example, 130 detected with the particular front ⁇ current pulse which berthing at the heating element 130 by means of the voltage and see Ohm 'law of ent ⁇ speaking electric resistance R during the application of the heating element are determined.
  • electric voltage can be detected and are contemplated for determining the at least one characteristic of the fluid Fl, F2 zoom ⁇ .
  • this is advantageous when applying a constant current pulse, since in this case a proportional to the elec ⁇ cal resistance curve electrical
  • FIG. 5 essentially shows two characteristic curves for two different fluids F1 and F2.
  • the solid line shows the time profile of the temperature-dependent resistor R for the heating element 130, which is in contact with a first fluid Fl, wherein the dashed line in Fig. 1 represents the time course of the resistance R of the heating element 130, wherein the heating element 130 is in contact with a second fluid F2, which is different from the first fluid Fl.
  • the first fluid Fl is a gas mixture consisting of 100% methane.
  • the second fluid F2 is a gas ⁇ mixture consisting of about 70% methane and about 30% nitrogen. It can thus be seen from FIG. 5 that the time profile of the electrical resistance of the heating element 130 during the predetermined period of time ⁇ t may depend on the composition of the gas mixture. , 0
  • the heating element 130 is acted upon at a first time ti with the predetermined current pulse, which is switched off again at a later second time t 2 .
  • the predetermined current pulse is preferably a constant current pulse.
  • the predetermined current pulse may have a rising shape, a falling shape, a sine shape, or any other known current pulse shape.
  • the time interval between ti and t 2 describes the predetermined time t.
  • the temperature of the two fluids Fl and F2 are at the same level at the beginning of the application of the heating element 130 with the predetermined heating power, for example at ambient temperature.
  • the fluid temperature is a relevant parameter, since the time course of the electrical resistance of the fluid temperature depends significantly. Consequently, the detection of the temperature of the fluid is advantageous, for example by means of a separate temperature sensor. Al ternatively ⁇ the fluid temperature can be detected by means of a further, adjoining the power pulse current pulse.
  • the first fluid Fl has the predetermined temperature and the electrical resistance R of the heating element 130 has a first electrical resistance Rpn.
  • the first fluid Fl a higher temperature and the electric resisting ⁇ stand the heating element 130 has a second electrical resistance R F i2.
  • the second fluid F2 has the predetermined temperature and the electrical resistance R of the heating element 130 has a first electrical resistance R F 2i.
  • the second fluid F 2 has a higher temperature and the electrical Resistor R of the heating element 130 has a second electrical ⁇ en resistor R F 22.
  • FIG. 6 shows a flow chart of an exemplary method according to the invention for determining the composition of the fluid F1 (see FIG. 5).
  • a predetermined heating power is applied to the heating element 130 in the form of a predetermined constant current pulse for the predetermined period of time ⁇ t.
  • the predetermined heating power may also be provided in the form of a predetermined constant voltage applied to the heating element 130.
  • step 202 which also begins predominantly simultaneously with step 201, the time profile of the electrical resistance R of the heating element 130 is recorded or determined during the predetermined period of time ⁇ t.
  • a subsequent step 202 which also begins predominantly simultaneously with step 201, the time profile of the electrical resistance R of the heating element 130 is recorded or determined during the predetermined period of time ⁇ t.
  • Fig. 5 thereby resulting in different fluids Fl, F2 different temporal profiles of the elec tric ⁇ resistance. This is due, in particular, to the differing thermal conductivities and thermal conductivities of the different fluids.
  • the time course of the electrical resistance R of the heating elements 130 can be determined ⁇ see, for example, by detecting the resulting by applying the electric current pulse voltage and converting the current pulse together with the electric voltage by the Ohm 'law.
  • the time profile of the electrical voltage dropping across the heating element 130 can be directly indicated. visually evaluated the at least one property of the fluid.
  • a first electrical resistance R F n at the time ti and a second electrical resistance R F i2 at the time t 2 are determined from the determined time profile of the electrical resistance R of the heating element 130.
  • a resistance difference AR which is proportional to the thermal conductivity ⁇ of the fluid F1 is also formed at step 203.
  • the thermal conductivity ⁇ of the fluid F1 can be determined or at least partially estimated.
  • the time constant ⁇ ii 63 is determined at step 203 from the time variation of the electric resistance R of the heating element 130 with which the composition of the first fluid Fl is detected.
  • the time constant ii 63 is thus a rise time, which indicates that length of time that the elekt ⁇ generic resistance R of the heating element 130, starting from the first electrical resistance R F n to rise to a Budapest ⁇ agreed proportion of the second electrical resistance R F i2 be ⁇ compels ,
  • the predetermined proportion is preferably in a range between about 30% and about 90%, more preferably in a range between about 55% to about 70%. In the most preferred embodiment of the method according to the invention, the predetermined proportion is approximately 63.2%. The value of approximately 63.2% results from 1 / e.
  • the time constant ii 63 is a charac teristic ⁇ size.
  • the determination of the time constant ii 63 is carried out with knowledge of the first and second electrical resistance R F n, R F i2 and with the predetermined proportion, from which the electrical resistance value RFI 63 is determined.
  • the electric resistance value R i F 63 via the time course associated value is the time constant Ti ⁇ ⁇ 63
  • the time constant 63 determined ii is proportional to the Tem ⁇ peraturleitrange a (or the thermal diffusivity) of the fluid Fl. This means that with a measuring cycle, namely the single application of the heating element 130 with temperature-dependent resistance with a predetermined heating power, the thermal diffusivity a of the present fluid Fl by determining the time constant ii 63 and the thermal conductivity ⁇ of the ⁇ lying fluid Fl by determining the resistance difference AR can be determined.
  • the temperature conductivity a of the fluid Fl can be determined. More precisely, in order to determine the thermal diffusivity a, the specific heat capacity c P and / or the density p of the fluid Fl need not be determined, since by determining the thermal diffusivity a Time constant ii 63 the thermal diffusivity a (ie the above quotient) can be determined directly or at least partially estimated. Determined from the determined via the time constant ii 63 Temperaturleit ⁇ a capability and the resistance difference AR thermal conductivity ⁇ can by means of suitable mathematical correlation, the composition of the fluid Fl be determined.
  • the density p of the fluid F1 can be determined in accordance with the method of FIG. 6 in addition to the thermal conductivity a and the thermal conductivity ⁇ .
  • the pitch coupled with ⁇ means of an ultrasonic transmitter and ultrasonic ⁇ lempfsseners, ultrasonic waves in the fluid Fl, and the reflections thereof detected.
  • a reflector within the fluid is provided, to which the out ⁇ emitted ultrasounds can reflect.
  • the reflector has to the ultrasonic transmitter / receiver on a predetermined distance. By recording the transit time of the ultrasound over the predetermined distance (way and return), the sound velocity ⁇ speed can be determined in the fluid Fl.
  • the density p of the fluid F1 is determined from the sound velocity determined at step 205 taking into account the (adiabatic) compression modulus.
  • the density p of the fluid Fl can then, together with the previously determined sizes, thermal diffusivity a and heat conductivity ⁇ ⁇ operates comparable means of a mathematical correlation (see step 207).
  • the mathematical correlation can be, for example, a polynomial function or an exponential function of the detected parameters.
  • the detected Temperature conductivity, thermal conductivity and density are each provided with an exponent and multiplied together to determine a value from which one can derive the at least one property of the fluid, such as the calorific value of the fluid.
  • a mathematical correlation might look like this:
  • H ⁇ 2 ⁇ eP 'a
  • H indicates the calorific value of the fluid.
  • the composition of the fluid F1 is finally determined from the mathematical correlation of the variables density p, thermal conductivity ⁇ and thermal conductivity a before the method of FIG. 6 ends at a step 209. From the determined composition of the fluid Fl then further relevant for the operating parameters of an exclusively natural gas-powered internal combustion engine such. B. the calorific value of the fluid Fl, the methane number of the fluid and the oxygen demand for a stoichiometric combustion of the fluid Fl, are determined.
  • an additional ultrasonic sensor for detecting the speed of sound in the fluid Fl is erforder ⁇ Lich for more accurate determination of the composition of the fluid Fl in addition to the sensor apparatus 100.
  • the viscosity can be ⁇ it averages, which in turn can be considered in the mathematical correlation by means of a viscosity sensor.
  • FIG. 7 another exemplary method of operating the sensor device 100 of FIGS. 1-4 to determine the composition of a fluid F1 is illustrated.
  • the following description of the method of FIG. 7 is given in FIG Together with the diagram of FIG. 8, which shows the time profiles of the electrical current I applied to the heating element 130, the electrical voltage U applied to the heating element 130 and the temperature T of the fluid F.
  • the further exemplary method of FIG. 7 makes use of the knowledge that the thermal conductivity ⁇ , the Tem ⁇ peraturleitrichlor A and the specific heat capacity c p of fluids is temperature-dependent (see in particular Figs. 9 to 11). This means that the thermal diffusivity a and the
  • Thermal conductivity ⁇ can be determined at different temperatures of the fluid to be measured, in which case the Temperaturleitzuen determined at different temperatures and the planteleitzuen serve as input to the already mentioned above mathematical correlations.
  • the further exemplary method of FIG. 7 starts at step 300 and then arrives at step 301, where the heating element 130 is acted upon at a predetermined first temperature T Pi with a predetermined first electrical heating power for a predetermined first time Atl.
  • the first time period Atl ⁇ extends 2 ⁇
  • the heating element 130 can be subjected to the predetermined first electrical heating power by applying a predetermined first voltage U to the heating element 130.
  • step 302 which starts simultaneously with step 301, the time profile of the resistance R of the heating element 130 is detected. For example, after the Beauf ⁇ beat of the heating element 130 to the predetermined first current pulse I P i which berthing at the heating element 130 detects voltage U and see using the Ohm 'law the time course of the resistor R are determined as follows: With :
  • FIG. 8 An exemplary time profile of the electrical voltage U applied to the heating element 130 upon application of the heating element 130 with the predetermined first electrical current pulse I P i for the first predetermined time period Atl at the first temperature T 1 is shown in FIG. 8. It is also apparent from FIG. 8 that the first electrical current pulse I P i is a constant electric current pulse. Alternatively, the first electric current pulse I P i, a rising ⁇ to form a sloping shape, a sinusoidal shape or any other known current pulse shape comprise. In a subsequent step 303, from the detected time profile of the electrical voltage U, in a manner similar to that already described with respect to the method according to FIG.
  • a first one is determined Spann ⁇ ungsdifferenz AUpi and a first time constant ⁇ ⁇ ⁇ 63, indicating the that time period that the voltage at the heating element 130 from a first voltage Uo at the beginning of the predetermined first time period Atl to rise to a predetermined portion of a second electrical voltage U P i at the end of the predetermined first time period Atl needed determined.
  • the predetermined first time period Atl extends from a first time t1 to a second time t2.
  • a first thermal conductivity can ⁇ from the first voltage ⁇ difference AUpi and a first temperature conductivity al from the first time constant ⁇ ⁇ ⁇ 63 are determined at the first temperature T Pi .
  • a first thermal conductivity .lambda..sub.i and the first temperature .alpha are determined at the first temperature T Pi .
  • Conductivity al via the electrical voltage U it is alternatively possible for these two physical variables, as already described in detail in relation to the method illustrated in FIG Determining the course of the electrical resistance R, namely via a first resistance difference and a first time constant determined from a first resistance at the beginning of the first time period Atl and a second resistance at the end of the first time length Atl. It is also possible, the first thermal conductivity ⁇ over the To determine the time course of the voltage dropping at the electrical resistance.
  • the fluid Fl has the first temperature Tl.
  • the heating element 130 is subjected to a predetermined heating power for heating the fluid near the sensor to a predetermined second temperature T2.
  • the heating of the fluid near the sensor takes place during a heating period At He iz, which extends between the second time t2 and a third time t3.
  • the heating element 130 is beauf ⁇ beat with a predetermined heating current I H, which for example is constant and about 15 mA is (see Fig. 8).
  • the electrical voltage at the heating element 130 rises from the second electrical voltage U P i to an electrical heating voltage U H.
  • the temperature increase from T1 to T2, for example, is about 25 ° C.
  • the first current pulse I P i can carry, for example, about 2 mA be ⁇ .
  • the heating current I H is z. For example, about 15 mA.
  • the second current pulse I P2 is approximately 17 mA, wherein therein the heating current I H is taken into account and thus the absolute value of the second current pulse I P2 relative to the heating current is equal to the absolute value of the first current pulse I P i.
  • the second current pulse I P2 is preferably selected such that it represents a sum of the first current pulse I P i and the heating current I H.
  • the subsequent steps 307 to 309 essentially correspond to the steps 302 to 304 already described in relation to the first current pulse I P i, wherein a second thermal conductivity X 2 and a second temperature conductivity a 2 at the second temperature T 2 are determined at step 309.
  • the heating element 130 is acted upon by the second electrical current pulse I P2 for a second time period At2, which extends between the third time point t3 and a fourth time point t4.
  • the first time period Atl and the second time duration At2 are the same length.
  • the first electric current pulse IPI is equal to the second electric current pulse IP2.
  • the steps can be repeated 305 to 309 after the step 309 again, so that further heat conductivities ⁇ ⁇ ⁇ and further temperature conductivities a n of the fluid at another different temperatures T n can be determined. It can be said that the accuracy of the determined composition of the gas temperature increases with the increase of the determined thermal conductivities and thermal conductivities.
  • the composition of the fluid can be determined with reference to FIGS. 9 to 11 from the plurality of detected thermal conductivities ⁇ and the plurality of detected thermal conductivities a using a mathematical correlation.
  • the solid lines describe the curves for methane, the dash-dot lines, the profiles for ethane, the chain double ⁇ dot lines the curves for propane, the long dashed short dashed lines the curves for N Butane, the dashed The curves for nitrogen and the dotted lines the curves for carbon dioxide.
  • the natural gas, methane, ethane, propane and butanes are N-combustible coal ⁇ hydrogens, whereas the nitrogen and carbon dioxide, inert gases and, consequently, are non-flammable.
  • the present fluid can be specified. This may indicate the composition of the
  • Fluids and thus on the calorific value (or other properties of the fluid) are closed, so that the operating parameters of an exclusively natural gas-powered internal combustion engine can be adjusted so that the internal combustion engine can be started with natural gas and operated optimally.
  • the project leading to the present application received funding from the European Union's Horizon 2020 research and development program under grant agreement number 652816.

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Abstract

The invention relates to a method for ascertaining the composition of a fluid (F1, F2), preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture for example, and to a sensor device (100) which can come into contact with the fluid (F1, F2) and which has a heating element (130) that can be supplied with electric heating power and has a temperature-dependent electric resistance (R). The method has the steps of supplying the heating element (130) with a specified electric heating power for a specified duration (Δt), detecting the time curve of the electric resistance (R) of the heating element (130) during the specified duration (Δt), ascertaining a temperature conductivity (a) of the fluid (F1, F2) at least partly on the basis of the detected time curve of the electric resistance (R) of the heating element (130), and determining the composition of the fluid (F1, F2) at least partly on the basis of the ascertained temperature conductivity (a).

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Fluids und Sensorvorrichtung hierfür A method of determining a property of a fluid and sensor device therefor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln des Brennwerts des Fluids, vorzugsweise eines Gasgemischs, wie beispielsweise eines Erdgasgemisches, und eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, insbesondere des Brennwerts des Fluids, vorzugsweise eines Gasgemisches, wie beispielsweise eines Erd¬ gasgemisches . Zum Ermitteln von Eigenschaften eines Gasgemisches, beispiels¬ weise zur Messung der Qualität von Erdgas, ist es entscheidend, möglichst selektiv die Hauptkomponenten des Gasgemisches quantitativ zu erfassen. Bei Erdgas handelt es hierbei bei¬ spielsweise um die Komponenten Methan, Ethan, Propan, Butan, Kohlenstoffdioxid und Stickstoff. Speziell die nicht brennbaren Gase Kohlenstoffdioxid und Stickstoff spielen bei der Ver¬ brennung hinsichtlich Klopffestigkeit eine wichtige Rolle. Da diese selektive Messung nur sehr schwierig und mit einem erheblichen Messaufwand möglich ist, werden häufig korrelative Techniken angewandt, mit denen aus einzelnen voneinander unabhängigen physikalischen Größen, wie z. B. Dichte, Schallgeschwindigkeit, Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität oder Viskosität, die Zusammensetzung bzw. Eigenschaften des entsprechenden Gemisches ermittelt wird. The present invention relates to a method for determining at least one property of a fluid, in particular a method for determining the calorific value of the fluid, preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture, and a sensor device for determining at least one property of a fluid, in particular the calorific value of the Fluids, preferably a gas mixture, such as a Erd ¬ gas mixture. To determine the properties of a gas mixture, example ¬, for measuring the quality of natural gas, it is crucial selectively as possible to capture the main components of the gas mixture quantitatively. Natural gas is herein at ¬ play around the components methane, ethane, propane, butane, carbon dioxide and nitrogen. Specifically, the non-combustible gases carbon dioxide and nitrogen play in Ver ¬ incineration regard knock resistance an important role. Since this selective measurement is very difficult and with a considerable measurement effort is possible, often correlative techniques are applied, with which from individual independent physical quantities, such. As density, speed of sound, thermal conductivity, specific heat capacity or viscosity, the composition or properties of the corresponding mixture is determined.
Bei binären Gasgemischen, die aus zumindest zwei bestimmten Gaskomponenten bestehen, ist es möglich, durch die Messung einer physikalischen Größe auf die Zusammensetzung bzw. Konzentration dieser Gaskomponenten zu schließen. Bei Gasgemischen mit mehr als zwei Komponenten ist jedoch ein solcher Zusammenhang nicht mehr eindeutig, weshalb man sich der oben angesprochenen Korrelationsberechnungen behilft. Dabei wird versucht, zwei oder mehrere physikalische Größen derart mathematisch zu verbinden, dass man annähernd einen funktionalen Zusammenhang mit möglichst geringen Abweichungen erreichen kann. Dieses Prinzip der Korrelation lässt sich nicht nur auf die Zusammensetzung bzw. Konzentration des Gasgemisches anwenden, sondern auch auf andere physikalische Größen, wie beispielsweise den Brennwert des Gasgemisches, der zum Einstellen der Verbrennungsparameter in einer Brennkraftmaschine wichtig ist. For binary gas mixtures, which consist of at least two specific gas components, it is possible to conclude by measuring a physical quantity on the composition or concentration of these gas components. For gas mixtures with more than However, two components of such a relationship is no longer unique, which is why we get the above-mentioned correlation calculations. An attempt is made to mathematically connect two or more physical quantities in such a way that one can almost achieve a functional relationship with the smallest possible deviations. This principle of correlation can be applied not only to the composition or concentration of the gas mixture, but also to other physical quantities, such as the calorific value of the gas mixture, which is important for adjusting the combustion parameters in an internal combustion engine.
Insbesondere ist der Brennwert diejenige physikalische Größe eines Gasgemischs, die zum Einstellen der Verbrennungsparameter in einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs relevant ist. Eine weitere verbrennungstechnisch relevante Größe ist die für eine stöchiometrische Verbrennung benötigte Sauerstoffmenge . Die zuvor beschriebene Korrelation ermöglicht es beispielsweise die Qualität von Erdgas zu spezifizieren, in dem man die physi- kaiischen Eigenschaften in Zusammenhang zum Brennwert, Methanzahl oder Luftbedarf für die stöchiometrische Verbrennung setzt. In particular, the calorific value is that physical quantity of a gas mixture which is relevant for setting the combustion parameters in an internal combustion engine of a vehicle. Another combustion-relevant variable is the amount of oxygen required for a stoichiometric combustion. The correlation described above makes it possible, for example, to specify the quality of natural gas by setting the physical properties in relation to the calorific value, methane number or air requirement for the stoichiometric combustion.
Jedoch kann sich das Ermitteln dieser oben beschriebenen physikalischen Größen von Fluiden, insbesondere von Gasen, sehr schwierig bis teilweise unmöglich gestalten. Lässt sich beispielsweise die thermische Leitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähig¬ keit relativ einfach durch sensible Temperatursonden bestimmen, so kann die spezifische Wärmekapazität nur durch aufwendige Apparaturen in Kombination mit definiert eingestellten Mess- bedingungen erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist dasHowever, determining these physical quantities of fluids, especially gases, as described above, can be very difficult to sometimes impossible. For example, the thermal conductivity or Thermal conductivity ¬ ness can be determined relatively easily by temperature sensitive probes, so the specific heat capacity can be achieved only by expensive equipment and conditions in combination with defined set measurement. In this context, that is
Erzeugen eines definierten Gasstroms über eine kritische Düse zu nennen oder das Vermessen des Gasstroms mit Hitzdrahtanemometer und Rückrechnung auf die Wärmekapazität des Gases. In der Physik ist die sogenannte Temperaturleitfähigkeit (auch Temperaturleitzahl genannt) bekannt. Die Temperaturleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die zur Beschreibung der zeitlichen Veränderung der räumlichen Verteilung der Temperatur durch Wärmeleitung als Folge eines Temperaturgefälles dient. Sie ist häufig materialspezifisch und setzt sich aus dem Quotienten aus Wärmeleitfähigkeit und dem Produkt aus Dichte und der spezi¬ fischen Wärmekapazität zusammen. Durch Messung der in dieser Formel genannten Einzelgrößen kann daraus die Temperaturleit- fähigkeit berechnet werden. Folglich sind die beiden physi¬ kalischen Größen Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit unterschiedliche physikalische Größen. Generating a defined gas flow via a critical nozzle call or measuring the gas flow with hot wire anemometer and retroactive accounting for the heat capacity of the gas. In physics, the so-called thermal conductivity (also called temperature code) is known. The thermal diffusivity is a material property that is used to describe the temporal change in the spatial distribution of the temperature due to heat conduction as a result of a temperature gradient. It is often specific to the material and is made up of the quotient of thermal conductivity and the product of density and specific heat capacity ¬ fishing. By measuring the individual quantities mentioned in this formula, the temperature conductivity can be calculated from this. Consequently, the two physi ¬ cal variables thermal conductivity and thermal conductivity are different physical quantities.
Somit eignet sich die Temperaturleitfähigkeit als Material- eigenschaft auch für die Charakterisierung von Fluiden, insbesondere Gasgemischen, wie beispielsweise Erdgasgemischen, und kann als Eingangsgröße für Korrelationsrechnungen zur Ermittlung von Fluideigenschaften verwendet werden. Dabei sind die Kon- vektion und Strahlung vernachlässigbar. Thus, the thermal diffusivity as a material property is also suitable for the characterization of fluids, in particular gas mixtures, such as natural gas mixtures, and can be used as an input for correlation calculations for determining fluid properties. The convection and radiation are negligible.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2013 012 434 AI ein verbesserter Pirani-Sensor bekannt, bei dem das Messelement im Fluid zwischen einer Grundplatte und einer Wärmesenke angeordnet wird. Das Messelement wird dabei durch Aufhängungen in der korrekten Position gehalten. Die Aufhängungen sind mit der Grundplatte verbunden und ein separates Heizelement thermisch leitfähig wiederum mit den Aufhängungen. Der Pirani-Sensor ermittelt die Wärmeverluste über das Fluid an die Wärmesenke, während die Wärmeverluste an die Aufhängungen durch die separaten Heiz- elemente ausgeglichen werden. Hierdurch werden die parasitären Wärmeverluste vom Pirani-Sensor an die Aufhängung kompensiert. For example, from DE 10 2013 012 434 AI an improved Pirani sensor is known, in which the measuring element is arranged in the fluid between a base plate and a heat sink. The measuring element is held by suspensions in the correct position. The suspensions are connected to the base plate and a separate heating element is in turn thermally conductive with the suspensions. The Pirani sensor detects the heat losses through the fluid to the heat sink while balancing the heat losses to the suspensions with the separate heating elements. This compensates for the parasitic heat losses from the Pirani sensor to the suspension.
Ferner ist aus der EP 1 409 963 Bl ein Sensor zum Erzeugen eines Signals bekannt, das einen vorbestimmten physikalischen Pa- „ Furthermore, EP 1 409 963 B1 discloses a sensor for generating a signal which has a predetermined physical parameter. "
rameter anzeigt. Der Sensor umfasst ein Sensorelement, an das ein Ansteuersignal anlegbar ist und das abhängig von dem vorbe¬ stimmten physikalischen Parameter und dem Ansteuersignal ein Ausgangssignal erzeugt. Außerdem ist eine Ansteuereinrichtung vorgesehen, die das Ansteuersignal mit einem vorbestimmten Signalverlauf derart an das Sensorelement anlegt, dass das Ausgangssignal des Sensorelements einen vorbestimmten Schwel¬ lenwert erreicht. Eine Zeitmessschaltung des Sensors erfasst die Zeitdauer, bis zu der das Ausgangsignal ausgehend von einem vorbestimmten Startwert des Ausgangssignals den vorbenannten Schwellenwert erreicht, und erzeugt aus der Zeitdauer das den physikalischen Parameter anzeigende Signal. indicates the parameter. The sensor includes a sensor element, to which a drive signal can be applied and dependent on the vorbe ¬ voted physical parameter and the control signal generates an output signal. In addition, a driving means is provided in such a manner applies the driving signal having a predetermined waveform to the sensor element, that the output signal of the sensor element reaches a predetermined smoldering ¬ lenwert. A time measuring circuit of the sensor detects the time duration until which the output signal reaches the aforementioned threshold value from a predetermined starting value of the output signal and generates from the time duration the signal indicating the physical parameter.
Die DE 10 2013 220 908 AI betrifft ein Sensorelement mit einem Messelement und einem das Messelement zumindest teilweise um¬ gebenden, als Kunststoffmoldgehäuse ausgebildeten Funktions¬ gehäuse. Das Messelement ist hierbei als Hotplate ausgebildet, die mithilfe von schmalen Armen weitgehend thermisch entkoppelt an einem Trägersubstrat gelagert ist. DE 10 2013 220 908 AI relates to a sensor element with a measuring element and a measuring ¬ the housing at least partially um ¬ giving, designed as Kunststoffmoldgehäuse functional ¬ housing. The measuring element is in this case designed as a hotplate, which is largely thermally decoupled by means of narrow arms mounted on a carrier substrate.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, mit denen auf möglichst einfache Weise zumindest eine Eigenschaft eines Fluids, insbesondere eines Gasgemisches, wie beispielsweise eines Erdgasgemisches, ermittelt werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1 sowie einer Sensorvorrichtung gemäß unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der Erfindung liegt zumindest teilweise der Gedanke zu Grunde, mittels eines geeigneten Messaufbaus die Temperaturleitfähigkeit des Fluids zu bestimmen und daraus zumindest eine Eigen¬ schaft des Fluids mittels geeigneten mathematischen Korrela¬ tionsrechnungen zu ermitteln. Dabei wird sich der physikalische n It is an object of the present invention to provide a method and a sensor device with which at least one property of a fluid, in particular a gas mixture, such as a natural gas mixture, can be determined in the simplest possible way. This object is achieved by a method according to independent claim 1 and a sensor device according to independent claim 8. Preferred embodiments are specified in the subclaims. The invention is based at least partially on the idea to determine the thermal diffusivity of the fluid by means of a suitable measuring structure and to determine therefrom at least one self-¬ shaft of the fluid by means of suitable mathematical calculations correla ¬ tion. This will be the physical n
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Effekt eines temperaturabhängigen Widerstands zu Nutze gemacht. Der temperaturabhängige Widerstand ist nämlich bei geeigneter Ansteuerung mit elektrischer Leistung auf das vorliegende Fluid, insbesondere Gasgemisch, wie beispielsweise Erdgasgemisch, unterschiedlich sensitiv. Insbesondere kann mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstands die Wärmeleitfähigkeit sowie die Temperaturleitfähigkeit ermittelt werden, um daraus wie¬ derum, wie oben beschrieben, auf zumindest eine Eigenschaft, wie z.den Brennwert des Fluids, mittels den Korrelationsrechnungen schließen zu können. Effect of a temperature-dependent resistor made use of. Namely, the temperature-dependent resistance is differently sensitive with suitable control with electrical power to the present fluid, in particular gas mixture, such as natural gas mixture. In particular, the thermal conductivity and the thermal conductivity can be determined with the aid of the temperature-dependent resistor, to the fact, as close ¬ derum as described above on at least one property, such as z.den calorific value of the fluid by means of the correlation calculations.
Dies kann insbesondere bei Brennkraftmaschinen vorteilhaft sein, die ausschließlich mit Erdgas betrieben werden, wodurch die Notwendigkeit eines Flüssigkraftstoffs, wie beispielsweise Benzin, zum Starten der Brennkraftmaschine entfallen kann . Durch die Kenntnis von zumindest einer Eigenschaft des Erdgases, wie beispielsweise des Brennwerts des Erdgases, können die Betriebs¬ parameter der Brennkraftmaschine optimiert eingestellt werden, damit die Brennkraftmaschine bereits mit Erdgas gestartet werden kann. This may be particularly advantageous in internal combustion engines, which are operated exclusively with natural gas, whereby the need for a liquid fuel, such as gasoline, can be omitted for starting the internal combustion engine. By knowing at least one property of the natural gas, such as the calorific value of the natural gas, the operating ¬ parameters of the internal combustion engine can be optimally adjusted so that the engine can be started with natural gas.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung ist folglich ein Verfahren zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, vorzugsweise eines Gasgemisches, wie beispielsweise eines Erdgasgemisches, offenbart. Dabei ist eine Sensorvor¬ richtung vorgesehen, die mit dem Fluid in Kontakt treten kann und ein mit elektrischer Heizleistung beaufschlagbares Heizelement mit temperaturabhängigem Widerstand aufweist. Das erfindungs¬ gemäße Verfahren umfasst ein Beaufschlagen des Heizelements mit einer vorbestimmten elektrischen Heizleistung für eine vorbestimmte Zeitdauer, ein Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer den elektrischen Widerstand des Heizelements charakterisie¬ renden elektrischen Größe während der vorbestimmten Zeitdauer, ein Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe und ein Bestimmen von zumindest einer Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Temperaturleitfähigkeit des Fluids. According to a first aspect of the invention there is thus disclosed a method for determining at least one property of a fluid, preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture. Here, a Sensorvor ¬ direction is provided, which can come into contact with the fluid and having a heating capacity can be acted upon with electrical heating element with temperature-dependent resistance. The Invention ¬ contemporary method comprises exposing the heating element with a predetermined electrical heating power for a predetermined time period, detecting a temporal progression of the electrical resistance of the heating element characterization ¬ leaders electrical quantity during the predetermined period of time, a determination of the temperature conductivity of the fluid at least based in part on the detected time history of the electrical quantity and determining at least one property of the fluid based at least in part on the determined thermal conductivity of the fluid.
Die elektrische Größe ist bevorzugt die am Heizelement abfallende elektrische Spannung während der vorbestimmten Zeitdauer, während der das Heizelement mit einem elektrischen Strom zur Zufuhr der vorbestimmten elektrischen Heizleistung beaufschlagt wird. Alternativ ist die elektrische Größe der durch das Heiz¬ element fließende elektrische Strom während der vorbestimmten Zeitdauer, während der am Heizelement die elektrische Spannung zur Zufuhr der vorbestimmten elektrischen Heizleistung angelegt wird . The electrical quantity is preferably the voltage drop across the heating element during the predetermined period of time during which the heating element is supplied with an electric current for supplying the predetermined electrical heating power. Alternatively, the electrical size of the current flowing through the heating element ¬ electric current during the predetermined time period during which is applied the voltage for supplying the predetermined electrical heating power to the heating element.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des elektrischen Widerstands des Heizelements zumindest teilweise basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe und der elektrischen Heizleistung auf. Dabei wird die zumindest eine Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands des Heizelements bestimmt. Insbesondere kann über das Ohm' sehe Gesetz aus dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe, also über die elektrische Spannung oder den elektrischen Strom, der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands des Heizelements unter Berücksichtigung der vorbestimmten Heizleistung ermittelt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung basiert das Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit ferner zumindest teil- weise auf dem ermittelten Verlauf des elektrischen Widerstands des Heizelements . Somit ist ein Verfahren vorgesehen, das mittels einer relativ einfach aufgebauten Sensorvorrichtung und einer spezifischen Betriebsstrategie durchgeführt werden kann. Vorzugsweise weist die verwendete Sensorvorrichtung einen einem Pirani-Vakuummeter ähnlichen strukturellen Aufbau auf. In einer bevorzugten Ausgestaltung, die im Weiteren noch genauer beschrieben wird, weist die Sensorvorrichtung gegenüber einem Pirani-Vakuummeter lediglich ein als Wärmequelle und Wärmesenke verwendetes Heiz¬ element auf, das durch einen temperaturabhängigen Widerstand gekennzeichnet ist. In an advantageous embodiment, the inventive method further comprises determining a time profile of the electrical resistance of the heating element based at least partially on the detected time profile of the electrical variable and the electrical heating power. In this case, the at least one property of the fluid is determined at least partially based on the determined time profile of the electrical resistance of the heating element. In particular, the time characteristic of the electrical resistance of the heating element, taking into account the predetermined heating power, can be determined via the ohmic law from the time profile of the electrical variable, that is to say via the electrical voltage or the electric current. In an advantageous embodiment, the determination of the thermal conductivity is also based at least in part on the determined profile of the electrical resistance of the heating element. Thus, a method is provided which can be performed by means of a relatively simple sensor device and a specific operating strategy. Preferably, the sensor device used has a structure similar to a Pirani vacuum gauge. In a preferred embodiment, which will be described in more detail below, the sensor device compared to a Pirani vacuum gauge only one used as a heat source and heat sink Heiz ¬ element, which is characterized by a temperature-dependent resistance.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln der Dichte des Fluids auf. Das Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit des Fluids basiert vorteilhafter Weise zumindest teilweise auf der er¬ mittelten Dichte. In a further preferred embodiment, the method according to the invention further comprises determining the density of the fluid. The determination of the temperature conductivity of the fluid based advantageously at least partly on which it ¬ mediated density.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Dichte des Fluids durch ein Ermitteln einer Schallgeschwindigkeit im Fluid mittels Aussenden und Erfassen von in das Fluid eingekoppelten Ultraschallwellen bestimmt. Das Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids basiert dabei vorzugsweise ferner zumindest teilweise auf der ermittelten Schallgeschwindigkeit. Ferner kann es bevorzugt sein, dass das Beaufschlagen des Heizelements mit elektrischer Heizleistung ein Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Strompulses an dem Heizelement für die vorbestimmte Zeitdauer aufweist. Alternativ kann das Beauf¬ schlagen des Heizelements mit elektrischer Heizleistung ein An- legen einer vorbestimmten elektrischen Spannung am Heizelement für die vorbestimmte Zeitdauer aufweisen. In an advantageous embodiment, the density of the fluid is determined by determining a speed of sound in the fluid by emitting and detecting ultrasound waves coupled into the fluid. The determination of the at least one property of the fluid is preferably also based at least in part on the determined sound velocity. Furthermore, it may be preferable that the application of the heating element with electrical heating power comprises applying a predetermined electric current pulse to the heating element for the predetermined period of time. Alternatively, the Beauf ¬ beat of the heating element with electrical heating power can apply a predetermined electrical voltage to the heating element for the predetermined period of time.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer Zeitkonstante 0 In a further advantageous embodiment, the inventive method further comprises determining a time constant 0
o auf, die diejenige Zeitdauer angibt, die der elektrische Wi¬ derstand des Heizelements ausgehend von einem ersten elektrisch¬ en Widerstand zu Beginn der vorbestimmten Zeitdauer zum Ansteigen auf einen vorbestimmten Anteil eines zweiten elektrischen Wider- Stands am Ende der vorbestimmten Zeitdauer benötigt. Dabei basiert das Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit des Fluids und/oder der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zumindest teilweise auf der ermittelten Zeitkonstante. Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn eine Zeitkonstante basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe ermittelt wird. Aus der so ermittelten Zeitkonstante kann dann direkt auf die zumindest eine Eigenschaft des Fluids ge¬ schlossen werden, oder zusätzlich oder alternativ auf die Tem- peraturleitfähigkeit des Fluids. o on, which indicates that the time period required for the electric Wi ¬ resistor of the heater, starting from a first electrically ¬ en resistance at the beginning of the predetermined period of time to rise to a predetermined portion of a second electrical resistance object at the end of the predetermined period of time. In this case, the determination of the thermal conductivity of the fluid and / or the at least one property of the fluid is based at least partially on the determined time constant. Alternatively, it may be advantageous if a time constant is determined based on the detected time profile of the electrical quantity. May be selected from the thus determined time constant then ge ¬ joined directly to the at least one property of the fluid, or additionally or alternatively on the tem- peraturleitfähigkeit of the fluid.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln einer Widerstandsdifferenz zwischen einem ersten elektrischen Widerstand des Heizelements zu Beginn der vorbestimmten Zeitdauer und einem zweiten elektrischen Widerstand des Heizelements am Ende der vorbestimmten Zeitdauer auf. Dabei basiert das Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Fluids zu¬ mindest teilweise auf der ermittelten Widerstandsdifferenz. Dabei ist es noch vorteilhafter, wenn das erfindungsgemäße Ver- fahren ferner ein Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit des Fluids zumindest teilweise basierend auf der ermitteln Widerstands¬ differenz aufweist. Preferably, the method according to the invention further comprises determining a resistance difference between a first electrical resistance of the heating element at the beginning of the predetermined period of time and a second electrical resistance of the heating element at the end of the predetermined period of time. In this case, the determination of the at least one property of the fluid based on ¬ least partly on the determined difference in resistance. It is even more advantageous if further comparison, the inventive drive determining a thermal conductivity of the fluid at least partially based on the determined resistance ¬ difference has.
Auch hier kann es alternativ bevorzugt sein, anstelle einer Widerstandsdifferenz eine Spannungs- und/oder Stromdifferenz zu ermitteln, woraus wiederum auf die zumindest eine Eigenschaft des Fluids geschlossen werden kann. _ Here, too, it may alternatively be preferred to determine a voltage and / or current difference instead of a resistance difference, from which again the at least one property of the fluid can be deduced. _
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Gemäß des vorliegenden Verfahrens kann die Zeitkonstante, die vorzugsweise der Anstiegszeit auf den vorbestimmten Anteil des ermittelten zweiten elektrischen Widerstands am Ende der vorbestimmten Zeitdauer entspricht, proportional zur Temperatur- leitfähigkeit sein. Außerdem kann die ermittelte Widerstands¬ differenz proportional zur Wärmeleitfähigkeit des vorliegenden Fluids sein. Die beiden derart ermittelten Parameter Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit können dann als Eingangs¬ größen für mathematische Korrelationen zur Charakterisierung des Fluids, insbesondere des Gasgemisches, wie beispielsweise des Erdgasgemischs, herangezogen werden. According to the present method, the time constant, which preferably corresponds to the rise time to the predetermined portion of the detected second electrical resistance at the end of the predetermined period, may be proportional to the temperature conductivity. In addition, the determined resistance ¬ difference may be proportional to the thermal conductivity of the present fluid. The two thus determined parameters of temperature and thermal conductivity can then be used as input ¬ sizes of mathematical correlations for the characterization of the fluid, in particular of the gas mixture, such as the natural gas mixture.
Aus der Charakterisierung des Fluids können daraufhin die zum Einstellen der Verbrennungsparameter der Brennkraftmaschine für das Fahrzeug relevanten Betriebsparameter, wie beispielsweise Brennwert, Methanzahl, Wobbe-Index, Sauerstoff- bzw . Luftbedarf für die stöchiometrische Verbrennung, etc., bestimmt werden. From the characterization of the fluid can then be relevant for setting the combustion parameters of the internal combustion engine for the vehicle operating parameters, such as calorific value, methane number, Wobbe index, oxygen or. Air requirements for the stoichiometric combustion, etc., to be determined.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die vorbestimmte Heizleistung, mit der das Heizelement für die vorbestimmte Zeitdauer beaufschlagt wird, einen ansteigen¬ den, abfallenden, sprungartigen, dreieckigen und/oder sinusförmigen zeitlichen Verlauf auf. Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist eine Sensorvorrichtung zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids, vorzugsweise eines Gasgemischs, wie beispielsweise eines Erdgasgemischs, offenbart. Die erfindungsgemäße Sensor¬ vorrichtung weist ein Trägersubstrat, das zumindest eine Ver- tiefung hat, und ein auf dem Trägersubstrat angeordnetes Sensor¬ substrat auf, das einen Sensorbereich, der sich zumindest teil¬ weise oberhalb der Vertiefung des Trägersubstrats befindet, und zumindest einen die Vertiefung des Trägersubstrats zumindest teilweise umgebenden Anschlussbereich umfasst. Der Sensorbe- reich ist mittels zumindest zwei schmalen Armen derart an dem zumindest einen Anschlussbereich befestigt, dass der Sensorbereich von dem zumindest einen Anschlussbereich im Wesentlichen thermisch entkoppelt ist. Die erfindungsgemäß Sensorvorrichtung weist ferner ein auf und/oder im Sensorbereich angeordnetes Heizelement mit einem temperaturabhängigen Widerstand auf. Vorzugsweise ist das Heizelement in MEMS-Bauweise gefertigt. Noch bevorzugter ist es, wenn das Heizelement eine mäanderartige Form hat. In a further embodiment of the method according to the invention, the predetermined heating power, which is applied to the heating element for the predetermined period of time, an increasing ¬ the, falling, sudden, triangular and / or sinusoidal time course. According to a further aspect of the present invention, a sensor device is disclosed for determining at least one property of a fluid, preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture. The sensor ¬ inventive device comprises a carrier substrate, which has at least one recess, and a valve disposed on the carrier substrate sensor ¬ substrate, which is a sensor portion which at least partially located ¬ above the recess of the carrier substrate, and at least one deepening The connection of the carrier substrate at least partially surrounding connection area. The sensor is rich by at least two narrow arms so attached to the at least one connection region, that the sensor region of the at least one connection region is substantially thermally decoupled. The sensor device according to the invention also has a heating element arranged on and / or in the sensor region with a temperature-dependent resistance. Preferably, the heating element is manufactured in MEMS construction. It is even more preferable if the heating element has a meandering shape.
Der mikromechanische Aufbau der Sensorvorrichtung mit der frei¬ tragenden Struktur des Heizelements hat den Vorteil, dass der parasitäre Effekt der Temperaturleitfähigkeit der Festkörper der Sensorvorrichtung möglichst gering gehalten werden kann und durch Einführen von Korrekturtermen in die Temperaturwertgleichung kompensiert oder zumindest teilweise minimiert werden kann. The micromechanical structure of the sensor device with the free ¬ bearing structure of the heating element has the advantage that the parasitic effect of the thermal conductivity of the solid state of the sensor device can be minimized and compensated by introducing correction terms in the temperature value equation or at least partially minimized.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ferner eine Steuervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das heißt, dass die Steuervorrichtung dazu ausgebildet ist, das Heizelement gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern und die erfindungsgemäßen Auswertungen durchzuführen. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung eine Struktur auf, die der Struktur einer sogenannten Hotplate ähnelt. Eine solche Hotplate kann für eine thermische Entkopplung des Heizelements, das gleichzeitig auch das Sensorelement ist, von den entsprechenden Kontakt-/Bondstellen auf dem Sensorsubstrat sorgen, die mit einer Anschlussbeschaltung kontaktiert sind. In an advantageous embodiment, the sensor device according to the invention further comprises a control device which is designed to carry out a method according to the invention. This means that the control device is designed to control the heating element according to the method according to the invention and to carry out the evaluations according to the invention. Preferably, the sensor device according to the invention has a structure which is similar to the structure of a so-called hotplate. Such a hotplate can provide for a thermal decoupling of the heating element, which is also the sensor element, from the corresponding contact / bonding points on the sensor substrate, which are contacted with a connection circuit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann durch geeignete mathematische Korrelation der erfassten Parameter, wie beispielsweise Temperaturleitfähigkeit, die basierend auf der Zeitkonstante ermittelt werden kann, Wärmeleitfähigkeit, die basierend auf der Widerstandsdifferenz ermittelt werden kann, und Dichte, die zumindest eine Eigenschaft des Fluids ermittelt werden. Bei der mathematischen Korrelation kann es sich beispielsweise um eine Polynomfunktion oder einer Exponentialfunktion der erfassten Parameter handeln. Beispielsweise können die erfassten Parameter Temperaturleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Dichte mit je¬ weils einem Exponenten versehen und miteinander multipliziert werden, um einen Wert zu ermitteln, aus dem man die zumindest eine Eigenschaft des Fluids ableiten kann, wie beispielsweise den Brennwert des Fluids. In the context of the present invention, by appropriate mathematical correlation of the detected parameters, such as thermal conductivity, based on the time constant can be determined, thermal conductivity, which can be determined based on the resistance difference, and density, which are determined at least one property of the fluid. The mathematical correlation can be, for example, a polynomial function or an exponential function of the detected parameters. For example, the detected parameters temperature, conductivity, thermal conductivity and density can be per ¬ weils provided an exponent and multiplied together with to determine a value from which it can at least derive a characteristic of the fluid, such as the calorific value of the fluid.
Alternativ oder zusätzlich können auch die erfassten bzw. ermittelten elektrischen Größen und/oder die Zeitkonstanten und/oder die gebildeten Differenzen in der mathematischen Korrelation verwendet werden. Alternatively or additionally, the detected or determined electrical quantities and / or the time constants and / or the differences formed can also be used in the mathematical correlation.
Weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen: Further features and aspects of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the practice of the present teachings and from the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensor¬ vorrichtung zeigt, 1 shows a plan view of a sensor ¬ device according to the invention,
Fig. 2 eine Schnittansicht der Sensorvorrichtung der Fig. 1 entlang der Linie II-II zeigt, bei dem sich dieFig. 2 shows a sectional view of the sensor device of Fig. 1 along the line II-II shows, in which the
Sensorvorrichtung bei einem ersten Herstellungsschritt befindet, Sensor device is located at a first manufacturing step,
Fig. 3 die in der Fig. 2 dargestellte Sensorvorrichtung zu einem späteren Herstellungszeitpunkt darstellt, FIG. 3 shows the sensor device shown in FIG. 2 at a later production time, FIG.
Fig. 4 die in der Fig. 3 gezeigte Sensorvorrichtung zu einem noch späteren Herstellungszeitpunkt darstellt, Fig. 5 ein Diagramm zeigt, dass den zeitlichen Verlauf eines temperaturabhängigen Widerstands eines Heizelements für zwei unterschiedliche Fluide dargestellt, 4 shows the sensor device shown in FIG. 3 at an even later time of manufacture, 5 is a diagram showing the time course of a temperature-dependent resistance of a heating element for two different fluids,
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, 6 is a flowchart of a method according to the invention,
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines weiteren beispielhaften 7 is a flow chart of another example
Verfahrens darstellt,  Process represents
Fig. 8 ein Diagramm zeigt, das die zeitlichen Verläufe des elektrischen Stroms, der elektrischen Spannung sowie der Temperatur darstellt, die sich gemäß des Weiteren beispielhaften Verfahrens der Fig. 7 ergeben, 8 is a graph showing the time histories of electric current, voltage, and temperature that result according to the further exemplary method of FIG. 7;
Fig. 9 die unterschiedlichen temperaturabhängigen spezifischen Wärmekapazitäten für unterschiedliche Fluids dargestellt, 9 shows the different temperature-dependent specific heat capacities for different fluids,
Fig. 10 den temperaturabhängigen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit für die in der Fig. 9 dargestellten Fluide darstellt, und Fig. 11 den temperaturabhängigen Verlauf der Temperaturleitfähigkeit für die in den Fig. 9 und 10 darge¬ stellten Fluide darstellt. Fig. 10 11 represents the temperature-dependent profile of the thermal conductivity of which is shown in Fig. 9 fluids shown, and Fig. The temperature-dependent variation of the temperature conductivity for the in Figs. 9 and 10 Darge ¬ presented fluids.
Der Fachmann wird erkennen, dass die in der vorliegenden Be- Schreibung näher spezifizierten Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung in jeglicher Weise kombinierbar und losgelöst voneinander offenbart sind. Dies betrifft insbesondere die Reihenfolge der offenbarten Verfahren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschreibt die zumindest eine Eigenschaft des Fluids, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und mittels der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ermittelt wird, eine verbrennungsrelevante Größe des Fluids, wie beispielsweise den Brennwert des Fluids, die zur stöchiomet- rischen Verbrennung des Fluids benötigte Sauerstoffmenge, etc. Dabei ist ausdrücklich betont, dass die zumindest eine Eigen¬ schaft des Fluids nicht die Temperatur des Fluids umfasst. Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine beispielhafte Sen¬ sorvorrichtung 100, die dazu ausgebildet ist, die Zusammen¬ setzung eines Fluids oder Fluidgemischs , insbesondere eines Gasgemischs, wie beispielsweise eines Erdgasgemisches, zu er¬ mitteln. Die Sensorvorrichtung 100 weist dabei eine im Wesent- liehen planare mikromechanische Struktur (MEMS) . Those skilled in the art will recognize that the more particular features and aspects of the present invention as disclosed in the present description are in any way combinably and loosely disclosed. This particularly concerns the order of the disclosed methods. In the context of the present invention, the at least one property of the fluid, which is determined by means of the method according to the invention and the sensor device according to the invention, describes a combustion-relevant size of the fluid, such as the calorific value of the fluid, the amount of oxygen required for stoichiometric combustion of the fluid, etc. It should be emphasized that that does not include at least one self-¬ shaft of the fluid, the temperature of the fluid. Fig. 1 shows a plan view of an exemplary Sen ¬ sorvorrichtung 100 which is adapted to the composition ¬ reduction of a fluid or fluid mixture, in particular of a gas mixture, such as a natural gas mixture to he ¬ means. In this case, the sensor device 100 has a substantially planar micromechanical structure (MEMS).
Die Sensorvorrichtung 100 weist ein auf einem Trägersubstrat 110 aufgebrachtes Sensorsubstrat 120 auf, in und/oder auf dem wiederum ein Heizelement 130 in der Form eines Mäanders vor- gesehen ist. In dem Trägersubstrat 110, das vorzugsweise aus Silizium besteht, ist eine Vertiefung 112 vorgesehen (siehe auch Fig. 4), wobei sich das Sensorsubstrat 120 zumindest teilweise über die Vertiefung 112 erstreckt. Das Sensorsubstrat 120, das vorzugsweise aus Siliziumnitrid besteht, weist einen Sensorbereich 122 und zwei Anschlussbe¬ reiche 124, 126 auf. Die Anschlussbereiche 124, 126 sind mit dem Sensorbereich 122 über schmale Arme 123A, 123B, 123C, 123D derart verbunden, dass der Sensorbereich 122 von den Anschlussbereichen 124, 126 im Wesentlichen thermisch entkoppelt ist. The sensor device 100 has a sensor substrate 120 applied to a carrier substrate 110, in and / or on which in turn a heating element 130 in the form of a meander is provided. In the carrier substrate 110, which preferably consists of silicon, a recess 112 is provided (see also FIG. 4), wherein the sensor substrate 120 extends at least partially over the recess 112. The sensor substrate 120, which preferably consists of silicon nitride, has a sensor region 122 and two connection regions 124, 126. The connection regions 124, 126 are connected to the sensor region 122 via narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D such that the sensor region 122 is substantially thermally decoupled from the connection regions 124, 126.
Das Heizelement 130 ist über Verbindungsleitungen, die auf und/oder in den schmalen Armen 123A, 123B, 123C, 123D verlaufen, mit jeweils in und /oder an den Anschlussbereichen 124, 126 des Sensorsubstrats 120 angeordneten Verbindungselementen 142, 144 elektrisch verbunden und kann von einer Steuereinrichtung (in den Zeichnungen nicht explizit dargestellt) angesteuert werden. Die Verbindungselemente 142, 144 bestehen vorzugsweise aus Gold. Das Heizelement 130 weist einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand auf. The heating element 130 is connected via connecting lines, which run on and / or in the narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D, respectively in and / or at the connection areas 124, 126 of FIG Sensor substrate 120 arranged connecting elements 142, 144 electrically connected and can be controlled by a control device (not explicitly shown in the drawings). The connecting elements 142, 144 are preferably made of gold. The heating element 130 has a temperature-dependent electrical resistance.
Das im und/oder auf dem Sensorbereich 122 des Sensorsubstrats 120 vorgesehene Heizelement 130, das vorzugsweise aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht, bildet zusammen mit dem Sensorbereich 122 eine freitragende Struktur, die im Wesentlichen von den Anschlussbereichen 124, 126 und dem Trägersubstrat 110 thermisch entkoppelt ist. Die Sensorvorrichtung 100 der Fig. 1 ist eine mikromechanische Struktur, d. h. dass die Sensor- Vorrichtung 100 in sogenannter MEMS-Bauweise gefertigt ist. The heating element 130 provided in and / or on the sensor region 122 of the sensor substrate 120, which is preferably made of nickel or a nickel alloy, together with the sensor region 122 forms a self-supporting structure, which essentially decouples from the connection regions 124, 126 and the carrier substrate 110 is. The sensor device 100 of FIG. 1 is a micromechanical structure, i. H. that the sensor device 100 is manufactured in so-called MEMS construction.
Unter Verweis auf die Fig. 2 bis 4 ist beispielhaft ein Her- stellungsprozess der mikromechanischen Sensorvorrichtung 100 beschrieben. Die Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils einen Schnitt durch die in der Fig. 1 dargestellte Sensorvorrichtung 100 entlang der Linie II-II der Fig. 1 zu verschiedenen Zeitpunkten während des Herstellungsprozesses der MEMS-Struktur . With reference to FIGS. 2 to 4, a manufacturing process of the micromechanical sensor device 100 is described by way of example. 2 to 4 each show a section through the sensor device 100 shown in FIG. 1 along the line II-II of FIG. 1 at different times during the manufacturing process of the MEMS structure.
Wie bereits oben erläutert, weist die Sensorvorrichtung 100 das Trägersubstrat 110 auf, auf dem das Sensorsubstrat 120 aufge¬ bracht ist, in dem das Heizelement 130 als auch die Verbindungs¬ elemente 142, 144 zumindest teilweise eingebracht sind (siehe Fig. 2) . Zu diesem Zeitpunkt sind bereits das Sensorsubstrat 120, das Heizelement 130 sowie die Verbindungselemente 142, 144 ab- geschieden. As already explained above, the sensor device 100, the carrier substrate 110, on which the sensor substrate 120 is set ¬ introduced, in which the heating element 130 and the connection ¬ elements 142, 144 are at least partially introduced (see FIG. 2). At this point in time, the sensor substrate 120, the heating element 130 and the connecting elements 142, 144 have already been deposited.
In einem weiteren Schritt wird das Sensorsubstrat 120 derart trockengeätzt, dass zumindest die Struktur des Heizelements 130, insbesondere im Sensorbereich 122 des Sensorsubstrats 120, frei¬ gelegt wird (siehe Fig. 3) . In a further step, the sensor substrate 120 is dry-etched in such a way that at least the structure of the heating element 130, in particular in the sensor region 122 of the sensor substrate 120, is released ¬ (see Fig. 3).
In einem letzten Schritt wird durch anisotropes Unterätzen der Sensorbereich 122 des Sensorsubstrats 120, in und/oder auf dem das Heizelement 130 angeordnet ist, derart freigelegt, dass sich die vier schmalen Arme 123A, 123B, 123C, 123D ausbilden, die dazu ausgebildet sind, den Sensorbereich 122 samt dem Heizelement 130 zu tragen. Durch das Erzeugen der sich unter dem Heizelement 130 hindurch erstreckenden Vertiefung 112 kann gewährleistet werden, dass das Fluid in nahezu sämtlichen Raumrichtungen an das Heizelement 130 herankommt und somit die Kontaktfläche zwischen dem Heizelement 130 und dem Fluid, dessen Eigenschaften zu bestimmen sind, in Kontakt treten kann. Folglich kann im Wesentlichen das gesamte Heizelement 130 mit dem Fluid in thermische Wechsel¬ wirkung gelangen. Die Vertiefung 112 weist beispielsweise eine Länge von ungefähr 1 mm bis ungefähr 2 mm auf, wobei das Trägersubstrat 110 Abmessungen von ungefähr 5 mm Länge, ungefähr 6 mm Breite und ungefähr 1 mm Höhe aufweist. In a last step, by anisotropic undercutting, the sensor region 122 of the sensor substrate 120, in and / or on which the heating element 130 is arranged, is exposed such that the four narrow arms 123A, 123B, 123C, 123D are formed, which are designed to carry the sensor area 122 together with the heating element 130. By creating the depression 112 extending below the heating element 130, it can be ensured that the fluid approaches the heating element 130 in almost all spatial directions and thus makes contact with the contact surface between the heating element 130 and the fluid whose properties are to be determined can. Consequently, substantially all of the heating element may reach 130 with the fluid in thermal exchange ¬ effective. For example, the recess 112 has a length of about 1 mm to about 2 mm, with the support substrate 110 having dimensions of about 5 mm in length, about 6 mm in width, and about 1 mm in height.
Dabei ist es bevorzugt, dass die vier Arme 123A, 123B, 123C, 123D möglichst schmal und dünn sind, damit gewährleistet werden kann, dass die Temperaturleitfähigkeiten der Festkörper (d. h. des Heizelements 130, des Sensorbereichs 122 des Sensorsubstrats 120 und der vier Arme 123A, 123B, 123C, 123D) möglichst gering sind und folglich nur die Temperaturleitfähigkeit des zu vermessenden Fluids erfasst wird. Der parasitäre Einfluss der zuvor genannten Stör-Temperaturleitfähigkeiten kann somit minimiert werden. Die Sensorvorrichtung 100 ist vorzugsweise im Brennstoffför- dersystem einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet. Die mit ausschließlich Erdgas betriebene Brennkraftmaschine kann hierzu einen Erdgastank aufweisen, in dem üblicherweise das Erdgas unter einem Druck zwischen ungefähr 200 und 250 bar vorgehalten wird. Der Erdgastank kann über einen Filter, der ebenfalls mit der Umgebungsluft zum Ansaugen der Umgebungsluft verbunden ist, und einen Druckregler mit den Brennräumen der Brennkraftmaschine verbunden sein. An einer Stelle stromabwärts des Druckreglers herrscht ein Druck von beispielsweise maximal 20 bar. Die Sensorvorrichtung ist vorzugsweise an einer Position stromabwärts des Druckreglers und stromaufwärts der Brennräume angebracht. Folglich kann mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 die Temperaturleitfähigkeit desjenigen Erdgasge- mischs erfasst werden, welches unmittelbar vor der Verbrennung steht. Somit kann die Brennkraftmaschine mit optimierten Be¬ triebsparametern unter Kenntnis der ermittelten Temperaturleitfähigkeit, des Brennwerts, der Methanzahl, etc., in effektiver und effizienter Weise betrieben werden. It is preferred that the four arms 123A, 123B, 123C, 123D are as narrow and thin as possible in order to ensure that the thermal conductivity of the solids (ie heating element 130, sensor region 122 of sensor substrate 120 and four arms 123A, 123B, 123C, 123D) are as small as possible and consequently only the thermal diffusivity of the fluid to be measured is detected. The parasitic influence of the aforementioned interference temperature conductivities can thus be minimized. The sensor device 100 is preferably arranged in the fuel delivery system of an internal combustion engine (not shown). The natural gas-powered internal combustion engine may for this purpose have a natural gas tank, in which usually the natural gas under a pressure between about 200 and 250 bar is held up. The natural gas tank may be connected to the combustion chambers of the internal combustion engine via a filter, which is also connected to the ambient air for sucking in the ambient air, and a pressure regulator. At a point downstream of the pressure regulator there is a pressure of, for example, a maximum of 20 bar. The sensor device is preferably mounted at a position downstream of the pressure regulator and upstream of the combustion chambers. Consequently, with the sensor device 100 according to the invention, the thermal conductivity of that natural gas mixture can be detected which is immediately before combustion. Thus, the internal combustion engine can be operated in an effective and efficient manner with optimized Be ¬ operating parameters with knowledge of the determined temperature conductivity, calorific value, the methane number, etc.,.
Die in Fig. 1 bis 4 dargestellte Sensorvorrichtung 100 kann zum Erfassen der Temperaturleitfähigkeit des zu vermessenden Fluids gemäß des in der Fig. 6 gezeigten Verfahrens oder gemäß des in der Fig. 7 gezeigten Verfahrens betrieben werden, wobei sich jeweils der in der Fig. 5 gezeigten Zusammenhang zumindest teilweise zu Nutze gemacht wird. The sensor device 100 shown in FIGS. 1 to 4 can be used to detect the thermal diffusivity of the fluid to be measured according to the method shown in FIG. 6 or according to the method shown in FIG. 7, in each case that shown in FIG. 5 shown context is at least partially taken advantage of.
Die Fig. 5 stellt zeitliche Verläufe des temperaturabhängigen Widerstands R des Heizelements 130 dar, das mit unterschiedlichen Fluiden Fl, F2 in Kontakt gekommen ist und mit einer vorbestimmten Heizleistung für eine vorbestimmte Zeitdauer At beaufschlagt wurde. Beispielsweise wurde das Heizelement 130 für die vor¬ bestimmte Zeitdauer At mit einem vorbestimmten Strompuls beaufschlagt . FIG. 5 shows time courses of the temperature-dependent resistance R of the heating element 130 which has come into contact with different fluids F1, F2 and has been applied with a predetermined heating power for a predetermined period of time Δt. For example, the heating element 130 for the certain period of time before ¬ At was charged with a predetermined current pulse.
Die vorbestimmte Zeitdauer At beträgt beispielsweise ungefähr 60 ms. Beispielsweise kann die vorbestimmte Zeitdauer At umso größer sein, je größer auch der Druck des Fluids ist. Das heißt, dass das Heizelement 130 für die vorbestimmte Zeitdauer At mit dem vorbestimmten Strompuls beaufschlagt wird, beispielsweise einem konstanten Strompuls von ungefähr 2 mA bis ungefähr 4 mA. Während dieser vorbestimmten Zeitdauer At wird der elektrische Widerstand R des Heizelements 130 erfasst. Beispielsweise kann während des Beaufschlagens des Heizelements 130 mit dem vor¬ bestimmten Strompuls die sich am Heizelement 130 anlegende Spannung erfasst und mittels des Ohm' sehen Gesetzes der ent¬ sprechende elektrische Widerstand R ermittelt werden. Alternativ zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Widerstands R kann der zeitliche Verlauf der am Heizelement 130 abfallenden elektrischen Spannung erfasst werden und zum Bestimmen der zumindest einen Eigenschaft des Fluids Fl, F2 heran¬ gezogen werden. Insbesondere ist dies bei Anlegen eines kon- stanten Strompulses vorteilhaft, da sich dabei ein dem elek¬ trischen Widerstandsverlauf proportionaler elektrischer The predetermined period of time At is about 60 ms, for example. For example, the greater the pressure of the fluid, the greater the predetermined time period Δt. That is, the heating element 130 for the predetermined period of time At with the predetermined current pulse is applied, for example, a constant current pulse of about 2 mA to about 4 mA. During this predetermined period of time Δt, the electrical resistance R of the heating element 130 is detected. For example, 130 detected with the particular front ¬ current pulse which berthing at the heating element 130 by means of the voltage and see Ohm 'law of ent ¬ speaking electric resistance R during the application of the heating element are determined. Alternatively, for detecting the temporal course of the electrical resistance R of the time course of the voltage drop across the heating element 130 electric voltage can be detected and are contemplated for determining the at least one characteristic of the fluid Fl, F2 zoom ¬. In particular, this is advantageous when applying a constant current pulse, since in this case a proportional to the elec ¬ cal resistance curve electrical
Spannungsverlauf ergibt. Voltage curve results.
In der Fig. 5 sind im Wesentlichen zwei Kennlinien für zwei unterschiedliche Fluide Fl und F2 dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt den zeitlichen Verlauf des temperaturabhängigen Widerstands R für das Heizelement 130, das mit einem ersten Fluid Fl in Kontakt steht, wobei die gestichelte Linie in der Fig. 1 den zeitlichen Verlauf des Widerstands R des Heizelements 130 darstellt, bei dem das Heizelement 130 mit einem zweiten Fluid F2 in Kontakt steht, das zum ersten Fluid Fl unterschiedlich ist. Beispielsweise ist das erste Fluid Fl ein Gasgemisch, das aus 100 % Methan besteht. Das zweite Fluid F2 hingegen ist ein Gas¬ gemisch, das aus ungefähr 70 % Methan und ungefähr 30% Stickstoff besteht. Aus der Fig. 5 ist somit ersichtlich, dass der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands des Heizelements 130 während der vorbestimmten Zeitdauer At von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängen kann. , 0 FIG. 5 essentially shows two characteristic curves for two different fluids F1 and F2. The solid line shows the time profile of the temperature-dependent resistor R for the heating element 130, which is in contact with a first fluid Fl, wherein the dashed line in Fig. 1 represents the time course of the resistance R of the heating element 130, wherein the heating element 130 is in contact with a second fluid F2, which is different from the first fluid Fl. For example, the first fluid Fl is a gas mixture consisting of 100% methane. The second fluid F2, however, is a gas ¬ mixture consisting of about 70% methane and about 30% nitrogen. It can thus be seen from FIG. 5 that the time profile of the electrical resistance of the heating element 130 during the predetermined period of time Δt may depend on the composition of the gas mixture. , 0
Das Heizelement 130 wird dabei zu einem ersten Zeitpunkt ti mit dem vorbestimmten Strompuls beaufschlagt, der an einem späteren zweiten Zeitpunkt t2 wieder abgeschaltet wird. Der vorbestimmte Strompuls ist vorzugsweise ein konstanter Strompuls. Alternativ kann der vorbestimmte Strompuls eine ansteigende Form, eine abfallende Form, eines Sinusform oder jegliche weitere bekannte Strompulsform aufweisen. The heating element 130 is acted upon at a first time ti with the predetermined current pulse, which is switched off again at a later second time t 2 . The predetermined current pulse is preferably a constant current pulse. Alternatively, the predetermined current pulse may have a rising shape, a falling shape, a sine shape, or any other known current pulse shape.
Die Zeitspanne zwischen ti und t2 beschreibt die vorbestimmte Zeitdauer t . Bei dem Diagramm in Fig. 5 wird vorausgesetzt, dass die Temperatur der beiden Fluide Fl und F2 zu Beginn der Beaufschlagung des Heizelements 130 mit der vorbestimmten Heizleistung auf jeweils einem gleichen Niveau sind, beispielsweise bei Umgebungstemperatur. Insbesondere ist die Fluidtemperatur ein relevanter Parameter, da der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands von der Fluidtemperatur wesentlich abhängt. Folglich ist die Erfassung der Temperatur des Fluids vorteilhaft, beispielsweise mittels eines separaten Temperatursensors. Al¬ ternativ kann die Fluidtemperatur mittels eine weiteren, dem Strompuls anschließenden Strompuls erfassten werden. The time interval between ti and t 2 describes the predetermined time t. In the diagram in Fig. 5, it is assumed that the temperature of the two fluids Fl and F2 are at the same level at the beginning of the application of the heating element 130 with the predetermined heating power, for example at ambient temperature. In particular, the fluid temperature is a relevant parameter, since the time course of the electrical resistance of the fluid temperature depends significantly. Consequently, the detection of the temperature of the fluid is advantageous, for example by means of a separate temperature sensor. Al ternatively ¬ the fluid temperature can be detected by means of a further, adjoining the power pulse current pulse.
Zu Beginn des Strompulses zum Zeitpunkt ti weist das erste Fluid Fl die vorbestimmte Temperatur auf und der elektrische Widerstand R des Heizelements 130 weist einen ersten elektrischen Widerstand Rpn auf. Am Ende des Strompulses zum Zeitpunkt t2 weist das erste Fluid Fl eine höhere Temperatur auf und der elektrische Wider¬ stand des Heizelements 130 weist einen zweiten elektrischen Widerstand RFi2 auf. In ähnlicher Weise weist zu Beginn des Strompulses das zweite Fluid F2 die vorbestimmte Temperatur auf und der der elektrische Widerstand R des Heizelements 130 weist einen ersten elektrischen Widerstand RF2i auf. Am Ende des Strompulses zum Zeitpunkt t2 weist das zweite Fluid F2 eine höhere Temperatur auf und der elektrische Widerstand R des Heizelements 130 weist einen zweiten elektrisch¬ en Widerstand RF22 auf. At the beginning of the current pulse at time ti, the first fluid Fl has the predetermined temperature and the electrical resistance R of the heating element 130 has a first electrical resistance Rpn. At the end of the current pulse at time t 2, the first fluid Fl a higher temperature and the electric resisting ¬ stand the heating element 130 has a second electrical resistance R F i2. Similarly, at the beginning of the current pulse, the second fluid F2 has the predetermined temperature and the electrical resistance R of the heating element 130 has a first electrical resistance R F 2i. At the end of the current pulse at time t 2 , the second fluid F 2 has a higher temperature and the electrical Resistor R of the heating element 130 has a second electrical ¬ en resistor R F 22.
Die Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften er- findungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Zusammensetzung des Fluids Fl (siehe Fig. 5) . Dabei wird unter Verweis auf den zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands R des Heizelements 130 der Fig. 5 Bezug genommen. Das Verfahren der Fig. 6 beginnt an einem Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 201, an dem am Heizelement 130 eine vorbestimmte Heizleistung in Form eines vorbestimmten konstanten Strompulses für die vorbestimmte Zeitdauer At angelegt wird. Alternativ kann die vorbestimmte Heizleistung auch in der Form einer am Heiz- element 130 angelegten vorbestimmten konstanten Spannung vorgesehen werden. FIG. 6 shows a flow chart of an exemplary method according to the invention for determining the composition of the fluid F1 (see FIG. 5). In this case, reference is made to the time profile of the electrical resistance R of the heating element 130 of FIG. 5 reference. The process of FIG. 6 starts at a step 200 and then goes to step 201 where a predetermined heating power is applied to the heating element 130 in the form of a predetermined constant current pulse for the predetermined period of time Δt. Alternatively, the predetermined heating power may also be provided in the form of a predetermined constant voltage applied to the heating element 130.
In einem darauffolgen Schritt 202, der überwiegend auch Zeitgleich mit dem Schritt 201 beginnt, wird der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands R des Heizelements 130 während der vorbestimmten Zeitdauer At aufgezeichnet bzw. ermittelt. Wie in der Fig. 5 gezeigt, ergeben sich dabei für unterschiedliche Fluide Fl, F2 unterschiedliche zeitliche Verläufe des elek¬ trischen Widerstands. Dies ist insbesondere auf die unterschied- liehen Wärmeleitfähigkeiten und Temperaturleitfähigkeiten der unterschiedlichen Fluide zurückzuführen. In a subsequent step 202, which also begins predominantly simultaneously with step 201, the time profile of the electrical resistance R of the heating element 130 is recorded or determined during the predetermined period of time Δt. As shown in Fig. 5, thereby resulting in different fluids Fl, F2 different temporal profiles of the elec tric ¬ resistance. This is due, in particular, to the differing thermal conductivities and thermal conductivities of the different fluids.
Der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands R des Heiz¬ elements 130 kann beispielsweise durch Erfassen der sich durch das Anlegen des Strompulses ergebenden elektrischen Spannung und dem Umrechnen des Strompulses zusammen mit der elektrischen Spannung mittels des Ohm' sehen Gesetzes ermittelt werden. Wie bereits erwähnt, kann alternativ direkt der zeitliche Verlauf der am Heizelement 130 abfallenden elektrischen Spannung hin- sichtlich der zumindest einen Eigenschaft des Fluids ausgewertet werden . The time course of the electrical resistance R of the heating elements 130 can be determined ¬ see, for example, by detecting the resulting by applying the electric current pulse voltage and converting the current pulse together with the electric voltage by the Ohm 'law. As already mentioned, alternatively, the time profile of the electrical voltage dropping across the heating element 130 can be directly indicated. visually evaluated the at least one property of the fluid.
In einem darauffolgenden Schritt 203 werden aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands R des Heizelements 130 ein erster elektrischer Widerstand RFn zum Zeitpunkt ti und ein zweiter elektrischer Widerstand RFi2 zum Zeitpunkt t2 ermittelt. Aus dem ersten elektrischen Widerstand RFn und dem zweiten elektrischen Widerstand RFi2 wird am Schritt 203 außerdem eine Widerstandsdifferenz AR gebildet, die proportional zur Wärmeleitfähigkeit λ des Fluids Fl ist. Somit kann aus der elektrischen Widerstandsdifferenz AR die Wärmeleitfähigkeit λ des Fluids Fl ermittelt bzw. zumindest teilweise abgeschätzt werden . In a subsequent step 203, a first electrical resistance R F n at the time ti and a second electrical resistance R F i2 at the time t 2 are determined from the determined time profile of the electrical resistance R of the heating element 130. From the first electrical resistance R F n and the second electrical resistance R F i2, a resistance difference AR, which is proportional to the thermal conductivity λ of the fluid F1, is also formed at step 203. Thus, from the electrical resistance difference AR, the thermal conductivity λ of the fluid F1 can be determined or at least partially estimated.
Zusätzlich wird am Schritt 203 aus dem zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands R des Heizelements 130, mit dem die Zusammensetzung des ersten Fluids Fl erfasst wird, die Zeit¬ konstante i i 63 ermittelt. Die Zeitkonstante i i 63 ist somit eine Anstiegszeit, die diejenige Zeitdauer angibt, die der elekt¬ rische Widerstand R des Heizelements 130 ausgehend vom ersten elektrischen Widerstand RFn zum Ansteigen auf einen vorbe¬ stimmten Anteil des zweiten elektrischen Widerstands RFi2 be¬ nötigt. Der vorbestimmte Anteil liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr 30 % und ungefähr 90 %, noch bevorzugter in einem Bereich zwischen ungefähr 55 % bis ungefähr 70 % . In der bevorzugtesten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der vorbestimmte Anteil ungefähr 63, 2 % . Der Wert von ungefähr 63,2 % ergibt sich dabei durch 1/e. In einem dynamischen System ist die Zeitkonstante i i 63 eine charakte¬ ristische Größe. In addition, the time constant ¬ ii 63 is determined at step 203 from the time variation of the electric resistance R of the heating element 130 with which the composition of the first fluid Fl is detected. The time constant ii 63 is thus a rise time, which indicates that length of time that the elekt ¬ generic resistance R of the heating element 130, starting from the first electrical resistance R F n to rise to a vorbe ¬ agreed proportion of the second electrical resistance R F i2 be ¬ compels , The predetermined proportion is preferably in a range between about 30% and about 90%, more preferably in a range between about 55% to about 70%. In the most preferred embodiment of the method according to the invention, the predetermined proportion is approximately 63.2%. The value of approximately 63.2% results from 1 / e. In a dynamic system, the time constant ii 63 is a charac teristic ¬ size.
Das Ermitteln der Zeitkonstante i i 63 erfolgt dabei unter Kenntnis des ersten und zweiten elektrischen Widerstands RFn, RFi2 und mit dem vorbestimmten Anteil, woraus der elektrische Widerstandswert RFI 63 ermittelt wird. Der dem elektrischen Widerstandswert RFi 63 über den zeitlichen Verlauf zugeordnete Zeitwert ist die Zeit¬ konstante Ti 63 · The determination of the time constant ii 63 is carried out with knowledge of the first and second electrical resistance R F n, R F i2 and with the predetermined proportion, from which the electrical resistance value RFI 63 is determined. Of the electric resistance value R i F 63 via the time course associated value is the time constant Ti ¬ · 63
Die ermittelte Zeitkonstante ii 63 ist proportional zur Tem¬ peraturleitfähigkeit a (bzw. der Temperaturleitzahl ) des Fluids Fl. Das heißt, dass mit einem Messzyklus, nämlich dem einmaligen Beaufschlagen des Heizelements 130 mit temperaturabhängigem Widerstand mit einer vorbestimmten Heizleistung, die Temperaturleitfähigkeit a des vorliegenden Fluids Fl durch Ermitteln der Zeitkonstante ii 63 und die Wärmeleitfähigkeit λ des vor¬ liegenden Fluids Fl durch Ermitteln der Widerstandsdifferenz AR ermittelt werden können. The time constant 63 determined ii is proportional to the Tem ¬ peraturleitfähigkeit a (or the thermal diffusivity) of the fluid Fl. This means that with a measuring cycle, namely the single application of the heating element 130 with temperature-dependent resistance with a predetermined heating power, the thermal diffusivity a of the present fluid Fl by determining the time constant ii 63 and the thermal conductivity λ of the ¬ lying fluid Fl by determining the resistance difference AR can be determined.
Die aus der Zeitkonstante ii 63 ermittelte Temperaturleitfähig¬ keit a kann gemäß der aus der Literatur bekannten Formel wie folgt berechnet werden: The determined from the time constant ii 63 Temperaturleitfähig ¬ a ness can be calculated as follows according to the known from the literature formula:
a = a =
p - cP mit : a Temperaturleitfähigkeit des Fluids Fl, p - c P with: a thermal conductivity of the fluid Fl,
λ Wärmeleitfähigkeit des Fluids Fl,  λ thermal conductivity of the fluid Fl,
p Dichte des Fluids Fl, und  p density of the fluid Fl, and
cP spezifische Wärmekapazität des Fluids Fl c P specific heat capacity of the fluid Fl
Somit kann durch Ermitteln der Zeitkonstante ii 63 am Schritt 204 die Temperaturleitfähigkeit a des Fluids Fl ermittelt werden. Genauer gesagt müssen zum Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit a die spezifische Wärmekapazität cP und/oder die Dichte p des Fluids Fl nicht ermittelt werden, da durch das Ermitteln der Zeitkonstante ii 63 die Temperaturleitfähigkeit a (also der oben angegebene Quotient) direkt ermittelt bzw. zumindest teilweise abgeschätzt werden kann. Aus der über die Zeitkonstante ii 63 ermittelten Temperaturleit¬ fähigkeit a und über die Widerstandsdifferenz AR ermittelten Wärmeleitfähigkeit λ kann mittels geeigneter mathematischer Korrelation die Zusammensetzung des Fluids Fl ermittelt werden Thus, by determining the time constant ii 63 at step 204, the temperature conductivity a of the fluid Fl can be determined. More precisely, in order to determine the thermal diffusivity a, the specific heat capacity c P and / or the density p of the fluid Fl need not be determined, since by determining the thermal diffusivity a Time constant ii 63 the thermal diffusivity a (ie the above quotient) can be determined directly or at least partially estimated. Determined from the determined via the time constant ii 63 Temperaturleit ¬ a capability and the resistance difference AR thermal conductivity λ can by means of suitable mathematical correlation, the composition of the fluid Fl be determined
Zur noch genaueren Ermittlung der Zusammensetzung des Fluids Fl kann gemäß dem Verfahren der Fig. 6 neben der Temperaturleitfähigkeit a und der Wärmeleitfähigkeit λ die Dichte p des Fluids Fl ermittelt werden. Hierzu werden an einem Schritt 205, bei¬ spielsweise mittels eines Ultraschallsenders und Ultraschal¬ lempfängers, Ultraschallwellen in das Fluid Fl eingekoppelt und die Reflexionen derselben erfasst. Hierbei ist vorzugsweise ein Reflektor innerhalb des Fluids vorgesehen, an dem die ausge¬ sandten Ultraschallen reflektieren können. Der Reflektor weist dabei zu dem Ultraschallsender/-empfänger eine vorbestimmte Distanz auf. Durch Aufzeichnen der Laufzeit des Ultraschalls über die vorbestimmte Distanz (Hinweg und Rückweg) kann die Schall¬ geschwindigkeit im Fluid Fl ermittelt werden. For even more accurate determination of the composition of the fluid F1, the density p of the fluid F1 can be determined in accordance with the method of FIG. 6 in addition to the thermal conductivity a and the thermal conductivity λ. To this end, at step 205, the pitch coupled with ¬ means of an ultrasonic transmitter and ultrasonic ¬ lempfängers, ultrasonic waves in the fluid Fl, and the reflections thereof detected. Here, preferably, a reflector within the fluid is provided, to which the out ¬ emitted ultrasounds can reflect. The reflector has to the ultrasonic transmitter / receiver on a predetermined distance. By recording the transit time of the ultrasound over the predetermined distance (way and return), the sound velocity ¬ speed can be determined in the fluid Fl.
An einem darauffolgenden Schritt 206 wird aus der am Schritt 205 ermittelten Schallgeschwindigkeit unter Berücksichtigung des (adiabatischen) Kompressionsmoduls die Dichte p des Fluids Fl ermittelt. Die Dichte p des Fluids Fl kann dann zusammen mit den zuvor ermittelten Größen Temperaturleitfähigkeit a und Wärme¬ leitfähigkeit λ mittels einer mathematischen Korrelation ver- arbeitet werden (siehe Schritt 207) . At a subsequent step 206, the density p of the fluid F1 is determined from the sound velocity determined at step 205 taking into account the (adiabatic) compression modulus. The density p of the fluid Fl can then, together with the previously determined sizes, thermal diffusivity a and heat conductivity λ ¬ operates comparable means of a mathematical correlation (see step 207).
Bei der mathematischen Korrelation kann es sich beispielsweise um eine Polynomfunktion oder einer Exponentialfunktion der erfassten Parameter handeln. Beispielsweise können die erfassten Parameter Temperaturleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Dichte mit jeweils einem Exponenten versehen und miteinander multipliziert werden, um einen Wert zu ermitteln, aus dem man die zumindest eine Eigenschaft des Fluids ableiten kann, wie beispielsweise den Brennwert des Fluids. Beispielsweise könnte eine mathematische Korrelation wie folgt aussehen: The mathematical correlation can be, for example, a polynomial function or an exponential function of the detected parameters. For example, the detected Temperature conductivity, thermal conductivity and density are each provided with an exponent and multiplied together to determine a value from which one can derive the at least one property of the fluid, such as the calorific value of the fluid. For example, a mathematical correlation might look like this:
H = λ2 ■ eP'a wobei H den Brennwert des Fluids angibt. H = λ 2 ■ eP 'a where H indicates the calorific value of the fluid.
An einem weiteren Schritt 208 wird letztlich aus der mathematischen Korrelation der Größen Dichte p, Wärmeleitfähigkeit λ und Temperaturleitfähigkeit a die Zusammensetzung des Fluids Fl bestimmt, bevor das Verfahren der Fig. 6 an einem Schritt 209 endet. Aus der ermittelten Zusammensetzung des Fluids Fl können dann weitere für die Betriebsparameter einer ausschließlich mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine relevanten Größen, wie z. B. der Brennwert des Fluids Fl, die Methanzahl des Fluids und der Sauerstoffbedarf für eine stöchiometrische Verbrennung des Fluids Fl, ermittelt werden. At a further step 208, the composition of the fluid F1 is finally determined from the mathematical correlation of the variables density p, thermal conductivity λ and thermal conductivity a before the method of FIG. 6 ends at a step 209. From the determined composition of the fluid Fl then further relevant for the operating parameters of an exclusively natural gas-powered internal combustion engine such. B. the calorific value of the fluid Fl, the methane number of the fluid and the oxygen demand for a stoichiometric combustion of the fluid Fl, are determined.
Gemäß des zuvor beschriebenen Verfahrens ist jedoch zur noch genaueren Ermittlung der Zusammensetzung des Fluids Fl neben der Sensorvorrichtung 100 noch ein zusätzlicher Ultraschallsensor zur Erfassung der Schallgeschwindigkeit im Fluid Fl erforder¬ lich. Alternativ zur Bestimmung der Dichte des Fluids Fl kann außerdem mittels eines Viskositätssensors die Viskosität er¬ mittelt werden, die wiederum bei der mathematischen Korrelation berücksichtigt werden kann. According to the above-described method, however, an additional ultrasonic sensor for detecting the speed of sound in the fluid Fl is erforder ¬ Lich for more accurate determination of the composition of the fluid Fl in addition to the sensor apparatus 100. FIG. Alternatively, to determine the density of the fluid Fl also the viscosity can be ¬ it averages, which in turn can be considered in the mathematical correlation by means of a viscosity sensor.
Unter Verweis auf die Fig. 7 ist ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Betreiben der Sensorvorrichtung 100 der Fig. 1 bis 4 zum Ermitteln der Zusammensetzung eines Fluids Fl dargestellt. Die folgende Beschreibung des Verfahrens der Fig. 7 erfolgt in Zusammenschau mit dem Diagramm der Fig. 8, das die zeitlichen Verläufe des am Heizelement 130 angelegten elektrischen Stroms I, der sich am Heizelement 130 anlegenden elektrischen Spannung U und der Temperatur T des Fluids F zeigt. Referring to FIG. 7, another exemplary method of operating the sensor device 100 of FIGS. 1-4 to determine the composition of a fluid F1 is illustrated. The following description of the method of FIG. 7 is given in FIG Together with the diagram of FIG. 8, which shows the time profiles of the electrical current I applied to the heating element 130, the electrical voltage U applied to the heating element 130 and the temperature T of the fluid F.
Das weitere beispielhafte Verfahren der Fig. 7 macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die Wärmeleitfähigkeit λ, die Tem¬ peraturleitfähigkeit a und die spezifische Wärmekapazität cP von Fluiden temperaturabhängig ist ( siehe insbesondere die Fig . 9 bis 11) . Das heißt, dass die Temperaturleitfähigkeit a und dieThe further exemplary method of FIG. 7 makes use of the knowledge that the thermal conductivity λ, the Tem ¬ peraturleitfähigkeit A and the specific heat capacity c p of fluids is temperature-dependent (see in particular Figs. 9 to 11). This means that the thermal diffusivity a and the
Wärmeleitfähigkeit λ bei unterschiedlichen Temperaturen des zu vermessenden Fluids ermittelt werden können, wobei dann die bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelten Temperaturleitfähigkeiten und die Wärmeleitfähigkeiten als Eingangsgrößen für die bereits oben erwähnten mathematische Korrelationen dienen. Thermal conductivity λ can be determined at different temperatures of the fluid to be measured, in which case the Temperaturleitfähigkeiten determined at different temperatures and the Wärmeleitfähigkeiten serve as input to the already mentioned above mathematical correlations.
Insbesondere kann durch das Ermitteln der Temperaturleitfä¬ higkeiten und die Wärmeleitfähigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen das Ermitteln der Dichte des Fluids mittels Ultra- Schallwellen entfallen, wodurch ein zusätzlicher Ultraschallsensor nicht mehr benötigt wird, was zu einer Reduzierung der Kosten des Sensors führen kann. Außerdem ist der mechanische Aufbau der Sensorvorrichtung vereinfacht und benötigt weniger Bauraum . In particular, by determining the Temperaturleitfä ¬ ability and the Wärmeleitfähigkeiten at different temperatures determining the density of the fluid by means of ultrasonic sound waves omitted, whereby an additional ultrasonic sensor is no longer needed, which can lead to a reduction in the cost of the sensor. In addition, the mechanical structure of the sensor device is simplified and requires less space.
Das weitere beispielhafte Verfahren der Fig. 7 beginnt am Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 301, an dem das Heizelement 130 bei einer vorbestimmten ersten Temperatur TPi mit einer vorbestimmten ersten elektrischen Heizleistung für eine vorbe- stimmte erste Zeitdauer Atl beaufschlagt wird. Die erste Zeit¬ dauer Atl erstreckt sich zwischen einem ersten Zeitpunkt ti und einem zweiten Zeitpunkt t2 · Beispielsweise erfolgt das Beauf¬ schlagen des Heizelements mit der ersten elektrischen Heizleistung durch Beaufschlagen des Heizelements 130 mit einem vorbestimmten ersten Strompuls IPi (siehe Fig. 8) . Alternativ kann das Heizelement 130 mit der vorbestimmten ersten elektrischen Heizleistung mittels Anlegen einer vorbestimmten ersten Spannung U am Heizelement 130 beaufschlagt werden. The further exemplary method of FIG. 7 starts at step 300 and then arrives at step 301, where the heating element 130 is acted upon at a predetermined first temperature T Pi with a predetermined first electrical heating power for a predetermined first time Atl. The first time period Atl ¬ extends 2 · For example, takes place between a first time ti and a second time t ¬ Beauf the beat of the heating element with the first electrical heating power of the heating element 130 by applying a predetermined first current pulse I P i (see Fig. 8). Alternatively, the heating element 130 can be subjected to the predetermined first electrical heating power by applying a predetermined first voltage U to the heating element 130.
An einem weiteren Schritt 302, der gleichzeitig mit dem Schritt 301 beginnt, wird der zeitliche Verlauf des Widerstands R des Heizelements 130 erfasst. Beispielsweise kann nach dem Beauf¬ schlagen des Heizelements 130 mit dem vorbestimmten ersten Strompuls IPi die sich am Heizelement 130 anlegende Spannung U erfasst und mittels des Ohm' sehen Gesetzes der zeitliche Verlauf des Widerstands R wie folgt ermittelt werden:
Figure imgf000027_0001
mit : At a further step 302, which starts simultaneously with step 301, the time profile of the resistance R of the heating element 130 is detected. For example, after the Beauf ¬ beat of the heating element 130 to the predetermined first current pulse I P i which berthing at the heating element 130 detects voltage U and see using the Ohm 'law the time course of the resistor R are determined as follows:
Figure imgf000027_0001
With :
RPI elektrischer Widerstand R am Heizelement 130 während des ersten elektrischen Strompulses IPi , Upi elektrische Spannung U am Heizelement 130 während des ersten elektrischen Strompulses IPi , undR PI electrical resistance R at the heating element 130 during the first electric current pulse I P i, Upi electrical voltage U at the heating element 130 during the first electric current pulse I P i, and
IPI erster elektrischer Strompuls. I PI first electric current pulse.
Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf der sich am Heizelement 130 anlegenden elektrischen Spannung U bei Beaufschlagung des Heizelements 130 mit dem vorbestimmten ersten elektrischen Strompuls IPi für die erste vorbestimmte Zeitdauer Atl bei der ersten Temperatur Tl ist in der Fig. 8 gezeigt. Aus der Fig. 8 geht außerdem hervor, dass es sich bei dem ersten elektrischen Strompuls IPi um einen konstanten elektrischen Strompuls handelt. Alternativ kann der erste elektrische Strompuls IPi eine an¬ steigende Form, eine abfallende Form, eine Sinusform oder jegliche weitere bekannte Strompulsform aufweisen. In einem darauffolgenden Schritt 303 wird aus dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U, in ähnlicher Weise wie es bereits in Bezug auf das Verfahren gemäß der Fig. 6 auf Basis des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Widerstands R am Heizelement 130 beschrieben worden ist, eine erste Spann¬ ungsdifferenz AUpi und eine erste Zeitkonstante τΡι 63, die die diejenige Zeitdauer angibt, die die elektrische Spannung am Heizelement 130 ausgehend von einer ersten elektrischen Spannung Uo zu Beginn der vorbestimmten ersten Zeitdauer Atl zum Ansteigen auf einen vorbestimmten Anteil einer zweiten elektrischen Spannung UPi am Ende der vorbestimmten ersten Zeitdauer Atl benötigt, ermittelt. Die vorbestimmte erste Zeitdauer Atl erstreckt sich von einem ersten Zeitpunkt tl zu einem zweiten Zeitpunkt t2. An exemplary time profile of the electrical voltage U applied to the heating element 130 upon application of the heating element 130 with the predetermined first electrical current pulse I P i for the first predetermined time period Atl at the first temperature T 1 is shown in FIG. 8. It is also apparent from FIG. 8 that the first electrical current pulse I P i is a constant electric current pulse. Alternatively, the first electric current pulse I P i, a rising ¬ to form a sloping shape, a sinusoidal shape or any other known current pulse shape comprise. In a subsequent step 303, from the detected time profile of the electrical voltage U, in a manner similar to that already described with respect to the method according to FIG. 6 on the basis of the time characteristic of the electrical resistance R at the heating element 130, a first one is determined Spann ¬ ungsdifferenz AUpi and a first time constant τ Ρ ι 63, indicating the that time period that the voltage at the heating element 130 from a first voltage Uo at the beginning of the predetermined first time period Atl to rise to a predetermined portion of a second electrical voltage U P i at the end of the predetermined first time period Atl needed determined. The predetermined first time period Atl extends from a first time t1 to a second time t2.
Da, wie oben beschrieben, die elektrische Spannung U und der elektrische Widerstand R über das oben genannte Ohm' sehe Gesetz miteinander verknüpft sind, kann in einem darauffolgende Schritt 304 eine erste Wärmeleitfähigkeit λΐ aus der ersten Spannungs¬ differenz AUpi und eine erste Temperaturleitfähigkeit al aus der ersten Zeitkonstante τΡι 63 bei der ersten Temperatur TPi ermittelt werden . Anstatt die erste Wärmeleitfähigkeit λΐ und die erste Temperatur¬ leitfähigkeit al über die elektrische Spannung U zu ermitteln, ist es alternativ möglich, diese beiden physikalischen Größen, wie bereits in Bezug auf das in der Fig. 6 dargestellte Verfahren im Detail beschrieben, aus dem zeitlichen Verlauf des elektrisch- en Widerstands R zu ermitteln, nämlich über eine erste Widerstandsdifferenz und eine aus einem ersten Widerstand zu Beginn der ersten Zeitdauer Atl und einem zweiten Widerstand am Ende der ersten Zeitdauer Atl ermittelten ersten Zeitkonstante. Außerdem ist es möglich, die erste Wärmeleitfähigkeit λΐ über den zeitlichen Verlauf der am elektrischen Widerstand abfallenden elektrischen Spannung zu ermitteln. Since, as described above, the electrical voltage U and the electric resistance R on the above-mentioned ohmic's law linked to each other, in a subsequent step 304, a first thermal conductivity can λΐ from the first voltage ¬ difference AUpi and a first temperature conductivity al from the first time constant τ Ρ ι 63 are determined at the first temperature T Pi . Instead of determining the first thermal conductivity .lambda..sub.i and the first temperature .alpha. Conductivity al via the electrical voltage U, it is alternatively possible for these two physical variables, as already described in detail in relation to the method illustrated in FIG Determining the course of the electrical resistance R, namely via a first resistance difference and a first time constant determined from a first resistance at the beginning of the first time period Atl and a second resistance at the end of the first time length Atl. It is also possible, the first thermal conductivity λΐ over the To determine the time course of the voltage dropping at the electrical resistance.
Am Zeitpunkt t2 weist das Fluid Fl die erste Temperatur Tl auf. In einem weiteren Schritt 305 wird das Heizelement 130 mit einer vorbestimmten Heizleistung zum Aufheizen des Fluids in Sensornähe auf eine vorbestimmte zweite Temperatur T2 beaufschlagt. Das Aufheizen des Fluids in Sensornähe erfolgt während einer Heizdauer AtHeiz , die sich zwischen dem zweiten Zeitpunkt t2 und einem dritten Zeitpunkt t3 erstreckt. Beispielsweise wird das Heizelement 130 mit einem vorbestimmten Heizstrom IH beauf¬ schlagt, der beispielsweise konstant ist und ungefähr 15 mA beträgt (siehe Fig. 8) . Dabei steigt die elektrische Spannung am Heizelement 130 von der zweiten elektrischen Spannung UPi auf eine elektrische Heizspannung UH an. Die Temperaturerhöhung von Tl auf T2 umfasst beispielsweise ungefähr 25°C. At time t 2 , the fluid Fl has the first temperature Tl. In a further step 305, the heating element 130 is subjected to a predetermined heating power for heating the fluid near the sensor to a predetermined second temperature T2. The heating of the fluid near the sensor takes place during a heating period At He iz, which extends between the second time t2 and a third time t3. For example, the heating element 130 is beauf ¬ beat with a predetermined heating current I H, which for example is constant and about 15 mA is (see Fig. 8). In this case, the electrical voltage at the heating element 130 rises from the second electrical voltage U P i to an electrical heating voltage U H. The temperature increase from T1 to T2, for example, is about 25 ° C.
Der erste Strompuls IPi kann beispielsweise ungefähr 2 mA be¬ tragen. Der Heizstrom IH beträgt z. B. ungefähr 15 mA. Der zweite Strompuls IP2 beträgt ungefähr 17 mA, wobei darin der Heizstrom IH berücksichtigt ist und somit der Absolutwert des zweiten Strompulses IP2 relativ zum Heizstrom gleich dem Absolutwert des ersten Strompulses IPi ist. In einem darauffolgenden Schritt 306 wird das Heizelement 130 am Zeitpunkt t3, an dem das Fluid die zweite Temperatur T2 aufweist, mit einer zweiten Heizleistung, vorzugsweise einem zweiten Strompuls IP2, beaufschlagt. Dabei ist zu erwähnen, dass der zweite Strompuls IP2 bevorzugt derart gewählt ist, dass dieser eine Summe aus dem ersten Strompuls IPi und dem Heizstrom IH darstellt. Das heißt, dass auch während der zweiten Zeitspanne At2 der Heizstrom IH anliegt, damit das Fluid Fl weiterhin geheizt wird . Die darauffolgenden Schritte 307 bis 309 entsprechen im Wesentlichen den bereits in Bezug auf den ersten Strompuls IPi beschriebenen Schritten 302 bis 304, wobei am Schritt 309 eine zweite Wärmeleitfähigkeit X2 und eine zweite Temperaturleit¬ fähigkeit a2 bei der zweiten Temperatur T2 ermittelt wird. Dabei erfolgt das Beaufschlagen des Heizelements 130 mit dem zweiten elektrischen Strompuls IP2 für eine zweite Zeitdauer At2, die sich zwischen dem dritten Zeitpunkt t3 und einem vierten Zeitpunkt t4 erstreckt . The first current pulse I P i can carry, for example, about 2 mA be ¬. The heating current I H is z. For example, about 15 mA. The second current pulse I P2 is approximately 17 mA, wherein therein the heating current I H is taken into account and thus the absolute value of the second current pulse I P2 relative to the heating current is equal to the absolute value of the first current pulse I P i. In a subsequent step 306, the heating element 130 at the time t3, at which the fluid has the second temperature T2, with a second heating power, preferably a second current pulse I P2 acted upon. It should be mentioned that the second current pulse I P2 is preferably selected such that it represents a sum of the first current pulse I P i and the heating current I H. This means that even during the second time period At2, the heating current I H is present, so that the fluid Fl continues to be heated. The subsequent steps 307 to 309 essentially correspond to the steps 302 to 304 already described in relation to the first current pulse I P i, wherein a second thermal conductivity X 2 and a second temperature conductivity a 2 at the second temperature T 2 are determined at step 309. In this case, the heating element 130 is acted upon by the second electrical current pulse I P2 for a second time period At2, which extends between the third time point t3 and a fourth time point t4.
Bevorzugt sind die erste Zeitdauer Atl und die zweite Zeitdauer At2 gleich lang. Außerdem ist es bevorzugt, wenn der erste elektrische Strompuls IPI gleich dem zweiten elektrischen Strompuls IP2 ist. Preferably, the first time period Atl and the second time duration At2 are the same length. In addition, it is preferable if the first electric current pulse IPI is equal to the second electric current pulse IP2.
Insbesondere lässt sich wieder folgender Ohm' scher Zusammenhang zwischen dem zweiten elektrischen Strompuls I p2 , dem elektrischen Heizstrompuls IH, der sich ergebenden zweiten Spannungsdifferenz Up2 und des sich ergebenden elektrischen Widerstands RP2 fest¬ stellen : In particular, the following can be re-Ohm 'shear connection between the second electric current pulse I p 2, the electric Heizstrompuls I H, which provide the resultant second voltage difference and Up2 of the resulting electrical resistance R P 2 fixed ¬:
AU P,2 AU P, 2
ARP2 = AR P2 =
AI P2 mit :  AI P2 with:
ARp2 elektrischer Widerstand R am Heizelement 130 während des zweiten elektrischen Strompulses IP2,ARp2 electrical resistance R at the heating element 130 during the second electric current pulse I P2 ,
AUp2 elektrische Spannungsdifferenz zwischen einer AUp2 electrical voltage difference between a
Spannung UH zu Beginn der zweiten Zeitdauer At2 und einer Spannung UP2 am Ende der zweiten Zeitdauer At2 während des zweiten elektrischen Strompulses IP2, undVoltage U H at the beginning of the second time period At2 and a voltage U P 2 at the end of the second time period At2 during the second electric current pulse I P2 , and
ΔΔ Ι ρ2 zweiter elektrischer Strompuls (bezogen auf den Heizstrom IH. Somit wurden bis zum Schritt 309 bei zwei unterschiedlichen Temperaturen Tl, T2 unterschiedliche physikalische Größen er¬ mittelt, nämlich bei der ersten Fluidtemperatur Tl eine erste Wärmeleitfähigkeit λΐ und eine erste Temperaturleitfähigkeit a2 und bei der zweiten Fluidtemperatur T2 eine zweite Wärmeleitfähigkeit X2 und eine zweite Temperaturleitfähigkeit a2. ΔΔ Ι ρ2 second electric current pulse (based on the heating current I H. Thus were up to the step 309 at two different temperatures Tl, T2 different physical variables, it averages ¬, namely λΐ a first thermal conductivity of the first fluid temperature Tl and a first thermal conductivity and at a2 of the second fluid temperature T2, a second thermal conductivity X2 and a second temperature conductivity a2 ,
In alternativen Verfahren können nach dem Schritt 309 nochmals die Schritte 305 bis 309 wiederholt werden, damit weitere Wärme¬ leitfähigkeiten λη und weitere Temperaturleitfähigkeiten an des Fluids bei weiteren unterschiedlichen Temperaturen Tn ermittelt werden können. Dabei kann gesagt werden, dass die Genauigkeit der ermittelten Zusammensetzung der Gastemperatur mit der Zunahme der ermittelten Wärmeleitfähigkeiten und Temperaturleitfähigkeiten ansteigt. In alternative method, the steps can be repeated 305 to 309 after the step 309 again, so that further heat conductivities λ η ¬ and further temperature conductivities a n of the fluid at another different temperatures T n can be determined. It can be said that the accuracy of the determined composition of the gas temperature increases with the increase of the determined thermal conductivities and thermal conductivities.
In einem anschließenden Schritt 310 kann unter Verweis auf die Fig. 9 bis 11 aus den mehreren erfassten Wärmeleitfähigkeiten λ und den mehreren erfassten Temperaturleitfähigkeiten a unter Verwendung einer mathematischen Korrelation die Zusammensetzung des Fluids ermittelt werden. In a subsequent step 310, the composition of the fluid can be determined with reference to FIGS. 9 to 11 from the plurality of detected thermal conductivities λ and the plurality of detected thermal conductivities a using a mathematical correlation.
Unter Verweis auf die Fig. 9 bis 11 sind die temperaturabhängigen Verläufe der spezifischen Wärmekapazität (siehe Fig. 9), der Wärmeleitfähigkeit λ (siehe Fig. 10) und der Temperaturleit¬ fähigkeit a (siehe Fig. 11) für vorbestimmte Fluide, insbesondere Erdgase, dargestellt, nämlich, für Methan, Ethan, Propan, n-Butane, Stickstoffdioxid und Stickstoff. In den Fig. 9 bis 11 beschreiben die durchgezogenen Linien die Verläufe für Methan, die Strich-Punkt-Linien die Verläufe für Ethan, die Strich-Zwei¬ punkt-Linien die Verläufe für Propan, die Langstrich-Kurzstrich-Linien die Verläufe für N-Butane, die gestrichelten Linien die Verläufe für Stickstoff und die gepunkteten Linien die Verläufe für Kohlenstoffdioxid . Dabei ist zu beachten, dass die Erdgase Methan, Ethan, Propan und N-Butane brennbare Kohlen¬ wasserstoffe sind, wohingegen der Stickstoff und das Kohlen- stoffdioxid Inertgase und folglich nicht brennbar sind. With reference to FIGS. 9 to 11, the temperature-dependent variations of the specific heat capacity (see Fig. 9), the thermal conductivity λ (see Fig. 10) and the Temperaturleit ¬ capacity a (see Fig. 11) for predetermined fluids, particularly natural gases , namely, for methane, ethane, propane, n-butanes, nitrogen dioxide and nitrogen. In FIGS. 9 to 11, the solid lines describe the curves for methane, the dash-dot lines, the profiles for ethane, the chain double ¬ dot lines the curves for propane, the long dashed short dashed lines the curves for N Butane, the dashed The curves for nitrogen and the dotted lines the curves for carbon dioxide. It should be noted that the natural gas, methane, ethane, propane and butanes are N-combustible coal ¬ hydrogens, whereas the nitrogen and carbon dioxide, inert gases and, consequently, are non-flammable.
Unter Kenntnis der jeweiligen Verläufe für die unterschiedlichen Fluide kann durch das Betreiben der Sensorvorrichtung 100 gemäß dem in der Fig. 7 beschrieben Verfahren das vorliegende Fluid spezifiziert werden. Damit kann auf die Zusammensetzung desKnowing the respective courses for the different fluids, by operating the sensor device 100 according to the method described in FIG. 7, the present fluid can be specified. This may indicate the composition of the
Fluids und somit auf den Brennwert (oder weitere Eigenschaften des Fluids) geschlossen werden, damit die Betriebsparameter einer ausschließlich mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschine derart eingestellt werden können, dass die Brennkraftmaschine auch mit Erdgas gestartet und optimiert betrieben werden kann. Fluids and thus on the calorific value (or other properties of the fluid) are closed, so that the operating parameters of an exclusively natural gas-powered internal combustion engine can be adjusted so that the internal combustion engine can be started with natural gas and operated optimally.
Das zu der vorliegenden Anmeldung führende Projekt erhielt eine Förderung von dem „European Union' s Horizon 2020 research and development programme" unter der Zuwendungsvereinbarung mit der Nummer 652816. The project leading to the present application received funding from the European Union's Horizon 2020 research and development program under grant agreement number 652816.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Ermitteln von zumindest einerA method for determining at least one
Eigenschaft eines Fluids (Fl, F2), vorzugsweise eines Gasge- mischs, wie beispielsweise eines Erdgasgemischs, wobei eine Sensorvorrichtung (100) vorgesehen ist, die mit dem Fluid (Fl, F2) in Kontakt treten kann und ein mit elektrischer Heizleistung beaufschlagbares Heizelement (130) mit einem temperaturab¬ hängigen elektrischen Widerstand (R) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Property of a fluid (Fl, F2), preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture, wherein a sensor device (100) is provided which can come into contact with the fluid (Fl, F2) and a heating element (FIG. 130) having a temperaturab ¬ dependent electrical resistance (R), said method comprising:
Beaufschlagen des Heizelements (130) mit einer vorbestimmten elektrischen Heizleistung für eine vorbestimmte Zeitdauer (At) ,  Applying the heating element (130) with a predetermined electric heating power for a predetermined period of time (At),
Erfassen eines zeitlichen Verlaufs einer den elektrischen Widerstand (R) des Heizelements (130) charakte¬ risierenden elektrischen Größe während der vorbestimmten Zeitdauer (At) , Detecting a temporal progression of the electrical resistance (R) of the heating element (130) ¬ characte risierenden electrical quantity during the predetermined period of time (At),
Ermitteln einer Temperaturleitfähigkeit (a) des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe (R) , und  Determining a thermal conductivity (a) of the fluid (Fl, F2) based at least partially on the detected time course of the electrical variable (R), and
Bestimmen zumindest einer Eigenschaft des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Temperaturleitfähigkeit (a) .  Determining at least one property of the fluid (Fl, F2) based at least in part on the determined thermal conductivity (a).
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: 2. The method of claim 1, further comprising:
Ermitteln eines zeitlichen Verlaufs des elektrischen Widerstands (R) des Heizelements (130) zumindest teilweise basierend auf dem erfassten zeitlichen Verlauf der elektrischen Größe und der elektrischen Heizleistung,  Determining a time profile of the electrical resistance (R) of the heating element (130) based at least partially on the detected time profile of the electrical variable and the electrical heating power,
wobei die zumindest eine Eigenschaft des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten ersten zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands (R) des  wherein the at least one property of the fluid (Fl, F2) is based at least in part on the determined first time profile of the electrical resistance (R) of the
Heizelements (130) bestimmt wird. wobei das Ermitteln der Temperaturleitfähigkeit (al) des Fluids (Fl, F2) ferner zumindest teilweise auf dem ermittelten zeitlichen Verlauf des elektrischen Widerstands (R) des Heating element (130) is determined. wherein the determination of the thermal conductivity (al) of the fluid (Fl, F2) further at least partially on the determined time profile of the electrical resistance (R) of the
Heizelements (130) basiert. Heating element (130) based.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Größe eine am Heizelement (130) abfallende elektrische Spannung oder ein durch das Heizelement (130) strömender elektrischer Strom ist.  3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrical size is a voltage drop across the heating element (130) or an electric current flowing through the heating element (130).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: 4. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
Ermitteln der Dichte (p) des Fluids (Fl, F2), wobei das Ermitteln der der zumindest einen Eigenschaft des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise auf der ermittelten Dichte (p) basiert.  Determining the density (p) of the fluid (Fl, F2), wherein the determination of the at least one property of the fluid (Fl, F2) is based at least partially on the determined density (p).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dichte (p) des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise basierend auf einer Schallgeschwindigkeit im Fluid (Fl, F2) ermittelt wird, die mittels Aussenden und Erfassen von in das Fluid (Fl, F2) eingekoppelten Ultraschallwellen ermittelt wird. 5. The method according to claim 4, wherein the density (p) of the fluid (Fl, F2) is determined at least partially based on a speed of sound in the fluid (Fl, F2), which is emitted and detected in the fluid (Fl, F2). coupled ultrasonic waves is determined.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beaufschlagen des Heizelements (130) mit elektrischer Heizleistung ein Anlegen eines vorbestimmten elektrischen Strompulses ( I pi , I p2 ) für die vorbestimmte 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the application of the heating element (130) with electrical heating power applying a predetermined electric current pulse (I pi, I p 2 ) for the predetermined
Zeitdauer (At) aufweist. Duration (At).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: The method of any one of the preceding claims, further comprising:
Ermitteln einer Zeitkonstante (ii 63, Τ2 63) , die diejenige Zeitdauer angibt, die der elektrische Widerstand (R) des Heizelements (130) ausgehend von einem ersten elektrischen Widerstand (RFH, RF2I) ZU Beginn der vorbestimmten Zeitdauer (At) zum Ansteigen auf einen vorbestimmten Anteil eines zweiten elektrischen Widerstands (RFI2, RF2I) am Ende der vorbestimmten Zeitdauer ( At ) benötigt, Determining a time constant (ii 63, Τ 2 63), which indicates the duration of the electrical resistance (R) of the heating element (130) starting from a first electrical resistance (R FH , R F2I ) AT the beginning of the predetermined time period (At) to increase to a predetermined proportion of a second electrical resistance (R F I 2, R F 2I) at the end of the predetermined period of time (At),
wobei das Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise auf der ermittelten  wherein determining the at least one property of the fluid (Fl, F2) at least partially on the determined
Zeitkonstante (ii 63, 2_6s) basiert. Time constant (ii 63, 2_6s) based.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: 8. The method according to any one of the preceding claims, further comprising:
- Ermitteln einer elektrischen Widerstandsdifferenz ( AR ) zwischen einem ersten elektrischen Widerstand (RFH, RF2I) des Heizelements (130) zu Beginn der vorbestimmten Zeitdauer ( At ) und einem zweiten elektrischen Widerstand (RFI2/ RF22) des Heizelements (130) am Ende der vorbestimmten Zeitdauer ( At ) , Determining an electrical resistance difference (AR) between a first electrical resistance (R F H, R F 2I) of the heating element (130) at the beginning of the predetermined period of time (At) and a second electrical resistance (R F I 2 / R F 22) of Heating element (130) at the end of the predetermined period of time (At),
wobei das Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des wherein determining the at least one property of
Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise auf der ermittelten elektrischen Widerstandsdifferenz ( AR ) basiert. Fluids (Fl, F2) based at least partially on the determined electrical resistance difference (AR).
9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit: - Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit (λ) des9. The method of claim 8, further comprising: - determining a thermal conductivity (λ) of the
Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise basierend auf der ermittelten elektrischen Widerstandsdifferenz ( AR ) , Fluids (Fl, F2) based at least in part on the determined electrical resistance difference (AR),
wobei das Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Fluids (Fl, F2) zumindest teilweise auf der ermittelten Wär- meleitfähigkeit (λ) basiert.  wherein determining the at least one property of the fluid (Fl, F2) is based at least in part on the determined thermal conductivity (λ).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Heizleistung, mit der das Heizelement (130) für die vorbestimmte Zeitdauer ( At ) beauf- schlagt wird, einen ansteigenden, abfallenden, sprungartigen, dreieckigen und/oder sinusförmigen zeitlichen Verlauf aufweist. 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the predetermined heating power applied to the heating element (130) for the predetermined period of time (At) has an ascending, descending, sudden, triangular and / or sinusoidal time course.
11. Sensorvorrichtung (100) zum Ermitteln von zumindest einer Eigenschaft eines Fluids (Fl, F2), vorzugsweise eines Gasgemischs, wie beispielsweise eines Erdgasgemischs, wobei die Sensorvorrichtung (100) aufweist: 11. Sensor device (100) for determining at least one property of a fluid (Fl, F2), preferably a gas mixture, such as a natural gas mixture, wherein the sensor device (100) comprises:
ein Trägersubstrat (110) mit zumindest einer Vertiefung (112),  a carrier substrate (110) having at least one recess (112),
- ein auf dem Trägersubstrat (110) angeordnetes - One on the carrier substrate (110) arranged
Sensorsubstrat (120), das einen Sensorbereich (120), der sich zumindest teilweise oberhalb der Vertiefung (112) des Trä¬ gersubstrats (110) befindet, und zumindest einen die Vertiefung (112) des Trägersubstrats (110) zumindest teilweise umgebenden Anschlussbereich (124, 126) aufweist, wobei der Sensorbereich (122) mittels zumindest zwei schmalen Armen (123A, 123B, 123C, 123D) derart an dem zumindest einen Anschlussbereich (124, 126) befestigt ist, dass der Sensorbereich (122) von dem zumindest einen Anschlussbereich (124, 126) im Wesentlichen thermisch entkoppelt ist, und Sensor substrate (120) having a sensor portion (120) which is located at least partially above the recess (112) of the Trä ¬ gersubstrats (110), and at least one recess (112) of the carrier substrate (110) at least partially surrounding the connection region (124 , 126), wherein the sensor region (122) is attached to the at least one connection region (124, 126) by means of at least two narrow arms (123A, 123B, 123C, 123D) in such a way that the sensor region (122) of the at least one connection region (124, 126) is substantially thermally decoupled, and
ein auf und/oder im Sensorbereich (122) angeordnetes Heizelement (130) mit einem temperaturabhängigen Widerstand .  a heating element (130) arranged on and / or in the sensor region (122) with a temperature-dependent resistor.
12. Sensorvorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei das Heizelement in MEMS-Bauweise gefertigt ist. 12. Sensor device (100) according to claim 11, wherein the heating element is manufactured in MEMS construction.
13. Sensorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 und 12, ferner mit: 13. A sensor device (100) according to any one of claims 11 and 12, further comprising:
- einer Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.  - A control device which is adapted to carry out a method according to one of claims 1 to 9.
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