本發(fā)明涉及一種用于確定流動(dòng)介質(zhì)通過測(cè)量路段的體積流量的方法。

背景技術(shù)：

確定流動(dòng)介質(zhì)的體積流量對(duì)于很多技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合是重要的。特別是可以根據(jù)這樣測(cè)得的體積流量確定相關(guān)氣體量的價(jià)格。這里不利的是，在已知的(特別是熱式的)用于確定體積流量的方法中，根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)的氣體參數(shù)來確定體積流量。如果相應(yīng)的方法應(yīng)用于始終相同的氣體或基本上不變的氣體組成，則這樣對(duì)氣體參數(shù)加以考慮，即，要針對(duì)相應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)所使用的測(cè)量路段。但如果流動(dòng)介質(zhì)的類型或組成發(fā)生變化，則這種處理方式在確定體積流量時(shí)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。

由文獻(xiàn)US 5,347,876已知一種方法，在該方法中，通過熱的飛行時(shí)間(time-of-flight)原理來求得體積流量。對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的氣體參數(shù)的影響的補(bǔ)償這里通過在靜止的氣體中測(cè)量熱傳導(dǎo)來確定。如果流動(dòng)介質(zhì)在進(jìn)行中的運(yùn)行中可能發(fā)生變化，則無法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理。

文獻(xiàn)DE 10 2012 019 657 B3提出，這樣來對(duì)氣體參數(shù)的影響加以考慮，即，在到熱源的兩個(gè)距離處測(cè)量介質(zhì)的溫度曲線，在所述熱源上脈沖式地加熱介質(zhì)，此后，由第一距離處溫度曲線的最大值和第二距離處溫度曲線的最大值確定熱傳輸量，特別是熱擴(kuò)散率。介質(zhì)根據(jù)所確定的熱傳輸量求得流動(dòng)速度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于，給出一種方法，利用所述方法即使在沒有預(yù)先確定介質(zhì)特有的氣體參數(shù)的情況下也能夠精確地確定體積流量。

所述目的根據(jù)本發(fā)明通過前面所述類型的方法來實(shí)現(xiàn)，其中，為了與氣體種類無關(guān)地去頂體積流量，執(zhí)行以下步驟：

通過加熱元件脈沖式地加熱介質(zhì)，

檢測(cè)在關(guān)于加熱元件首先在上游或下游相鄰設(shè)置的第一溫度傳感器上出現(xiàn)溫度最大值的與體積流量無關(guān)的第一時(shí)刻，

檢測(cè)在第二個(gè)設(shè)置在加熱元件下游的第二溫度傳感器上出現(xiàn)溫度最大值的與體積流量相關(guān)的第二時(shí)刻，第二溫度傳感器與第一溫度傳感器相比與熱源隔開更遠(yuǎn)，

求得第一時(shí)刻與第二時(shí)刻之間的時(shí)間差，并且

根據(jù)所述時(shí)間差確定體積流量。

根據(jù)本發(fā)明建議，與氣體種類無關(guān)地根據(jù)兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間差來確定體積流量，在這兩個(gè)時(shí)刻，在兩個(gè)不同的溫度傳感器上確定溫度最大值。這里體積流量可以特別是由流動(dòng)速度和測(cè)量路段已知的幾何結(jié)構(gòu)確定，所述測(cè)量路段特別是測(cè)量通道，所述介質(zhì)層狀地流動(dòng)通過所述測(cè)量通道。這里特別是通過配設(shè)給測(cè)量路段的控制裝置來進(jìn)行加熱元件的控制、第一和第二溫度傳感器的數(shù)據(jù)的檢測(cè)、溫度差的求取和體積流量的確定。這里，第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間差可以作為唯一的測(cè)量參量在確定體積流量時(shí)予以考慮。所有其他所考慮的參量、例如測(cè)量通道的尺寸和加熱元件與溫度傳感器的距離可以在所述方法開始之前就存儲(chǔ)在控制裝置中并且可以與流動(dòng)介質(zhì)的種類無關(guān)地確定。

加熱元件可以是基本上垂直于介質(zhì)在測(cè)量路段中的主流動(dòng)方向延伸的絲線。備選地，加熱元件也可以是基本上點(diǎn)狀的加熱元件，就是說，是具有非常小的加熱面的加熱元件。脈沖式的加熱特別是可以通過加熱元件的幾個(gè)100μs的加熱時(shí)間來實(shí)現(xiàn)?？刂蒲b置可以提供電流脈沖，所述電流脈沖被供應(yīng)給加熱元件，以進(jìn)行加熱。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中可以使用這樣的第一溫度傳感器，所述第一溫度傳感器與加熱元件隔開小于100μm、優(yōu)選隔開在15μm至50μm之間、特別是在20μm至30μm之間。通過采用非?；蛉绱丝拷訜嵩O(shè)置的溫度傳感器，溫度傳感器上的溫度曲線基本上與流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)速度并且因此與體積流量無關(guān)，而幾乎僅取決于流動(dòng)介質(zhì)的類型或組成，即取決于氣體類型或氣體混合物的組成。由于第二溫度傳感器與熱源距離較遠(yuǎn)、優(yōu)選在100μm至500μm之間，例如隔開200μm，第二溫度傳感器上的溫度變化同時(shí)與流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)速度以及與流動(dòng)介質(zhì)的類型或組成相關(guān)。根據(jù)本發(fā)明利用了以下事實(shí)，即，第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間差在這種情況下基本上是與氣體類型無關(guān)的。就是說或，在由所述時(shí)間差確定體積流量時(shí)，不必考慮流動(dòng)介質(zhì)的其他參數(shù)。

為了由時(shí)間差確定體積流量可以使用預(yù)先規(guī)定的校準(zhǔn)曲線。備選地，可以使用用于由時(shí)間差確定流動(dòng)速度的校準(zhǔn)曲線和測(cè)量路段的已知尺寸，用于接下來由流動(dòng)速度確定體積流量。校準(zhǔn)曲線這里可以僅與測(cè)量路段的特性相關(guān)，而與流動(dòng)介質(zhì)的特性無關(guān)。就是說，可以與氣體類型無關(guān)地使用相同的校準(zhǔn)曲線。

校準(zhǔn)曲線特別是可以實(shí)現(xiàn)為數(shù)值表，所述數(shù)值表存儲(chǔ)在控制裝置中。這里，對(duì)于位于數(shù)值表的兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間差，可以對(duì)相鄰的數(shù)值執(zhí)行內(nèi)插法、選擇最近的相鄰數(shù)值或采用類似方式。

對(duì)于具有不同熱擴(kuò)散率的氣體可以采用共同的校準(zhǔn)曲線。補(bǔ)充或備選地，作為介質(zhì)使用氣體混合物，對(duì)于具有不同氫含量的氣體混合物采用共同的校準(zhǔn)曲線。對(duì)于多個(gè)不同的氣體和/或氣體混合物也可以使用共同的校準(zhǔn)曲線。特別是可以對(duì)于所有氣體和氣體混合物使用共同的校準(zhǔn)曲線。

在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以根據(jù)加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔確定一個(gè)氣體參數(shù)。確定該氣體參數(shù)可以與其他測(cè)量值無關(guān)地進(jìn)行。補(bǔ)充地或備選地，可以根據(jù)加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的所述時(shí)間間隔區(qū)分兩種氣體類型或確定氣體混合物中確定氣體的比例。

在根據(jù)本發(fā)明方法中，可以根據(jù)第一溫度傳感器上溫度最大值處的溫度測(cè)量值和第二溫度傳感器上溫度最大值處的溫度值確定另一個(gè)氣體參數(shù)。這里所述另一個(gè)氣體參數(shù)特別是可以與其他測(cè)量值無關(guān)地確定。備選地，所述另一個(gè)氣體參數(shù)附加地根據(jù)由加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔確定的氣體參數(shù)或根據(jù)時(shí)間間隔本身確定。特別是可以確定導(dǎo)熱率作為另一個(gè)氣體參數(shù)。如果按如上所述方式確定一個(gè)氣體參數(shù)和另一個(gè)氣體參數(shù)，特別是可以唯一地確定構(gòu)成流動(dòng)介質(zhì)的氣體或氣體混合物的組成。

此外，本發(fā)明還涉及一種用于確定氣體的體積流量的測(cè)量裝置，包括帶有加熱元件的測(cè)量路段、關(guān)于加熱裝置在上游或下游相鄰設(shè)置的第一溫度傳感器和設(shè)置在加熱元件下游的第二溫度傳感器，第二溫度傳感器與第一溫度傳感器相比與加熱元件隔開更遠(yuǎn)，并且測(cè)量裝置構(gòu)造成用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。所述測(cè)量裝置可以包括控制裝置，所述控制裝置構(gòu)造成用于控制對(duì)加熱元件的供電、用于檢測(cè)溫度傳感器的溫度值和用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)。

有利的是，在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置中，加熱元件與第一溫度傳感器之間的距離小于100μm、優(yōu)選在15μm至50μm之間、特別是在20μm至30μm之間。第一溫度傳感器與第二溫度傳感器之間的距離可以至少為100μm、優(yōu)選在150μm至550μm之間、特別是在150μm至350μm之間。第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的距離也可以在200μm至400μm之間，但也可以大于500μm。通過相應(yīng)地選擇加熱元件與第一溫度傳感器之間和第一溫度傳感器與第二溫度傳感器之間的距離實(shí)現(xiàn)了，在第一溫度傳感器上檢測(cè)到溫度最大值的時(shí)刻基本上是與介質(zhì)的流動(dòng)速度或體積流量無關(guān)的，而在第二溫度傳感器上出現(xiàn)溫度最大值的第二時(shí)刻與介質(zhì)的流動(dòng)速度或體積流量具有明顯的相關(guān)性。

第一溫度傳感器和第二溫度傳感器優(yōu)選可以通過暴露地延伸穿過測(cè)量通道的絲線或薄層膜形成。所述絲線或薄層膜在這種情況下特別是沒有位于其下的基體地延伸越過一個(gè)基體中的凹口或在兩個(gè)基體之間延伸。備選地，構(gòu)成第一和第二溫度傳感器的絲線或薄層膜共同設(shè)置在特別是由具有較低擴(kuò)散率的、不導(dǎo)電的材料組成的薄膜片上，或者嵌入這種膜片中。通過構(gòu)成溫度傳感器的所述可能方式特別是避免了，由于通過基體在加熱元件與第一或第二溫度傳感器之間的傳熱使得測(cè)量失真。

作為薄層膜，特別是可以使用由導(dǎo)電材料組成的、厚度為幾微米或厚度小于一微米的薄膜。特別是薄層膜可以具有少數(shù)幾個(gè)100納米的厚度。作為絲線，優(yōu)選使用直徑為小于10μm的絲線。在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置中，可以補(bǔ)充或備選地將加熱元件構(gòu)造成絲線或薄層膜，所述絲線或薄層膜設(shè)置在膜片上或暴露地延伸通過測(cè)量通道。

加熱元件和/或第一溫度傳感器和/或第二溫度傳感器可以由金屬、金屬合金或半導(dǎo)體材料形成。這里半導(dǎo)體材料可以包含硅。

附圖說明

本發(fā)明其他的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)由下面說明的實(shí)施例以及相關(guān)附圖中得出。其中：

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例，

圖2示意性示出圖1中所示的測(cè)量裝置的透視圖，

圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，

圖4示意性示出在根據(jù)本發(fā)明的方法的該實(shí)施例中加熱元件、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器上在時(shí)間上的溫度變化，

圖5示意性示出對(duì)于三種不同的流動(dòng)介質(zhì)體積流量與加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔之間的關(guān)系圖，

圖6示意性示出對(duì)于三種不同的流動(dòng)介質(zhì)體積流量與加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第二時(shí)刻之間的時(shí)間間隔之間的關(guān)系圖，以及

圖7示意性示出對(duì)于三種不同的流動(dòng)介質(zhì)體積流量與第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間差之間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

圖1和圖2示出用于確定流動(dòng)介質(zhì)與氣體種類無關(guān)的體積流量的測(cè)量裝置1。這里，圖1從上面示出測(cè)量裝置1的示意圖，而圖2示出測(cè)量裝置的透視圖。在圖1和2中用箭頭示意性示出的流動(dòng)介質(zhì)2流動(dòng)通過測(cè)量裝置1的測(cè)量路段。流動(dòng)介質(zhì)2這里在未示出的測(cè)量通道中層狀地被引導(dǎo)，所述測(cè)量通道通過具有基本上為矩形的橫截面的管構(gòu)成。這里，流動(dòng)介質(zhì)2經(jīng)過加熱元件4、設(shè)置在加熱元件4下游的第一溫度傳感器5和以比第一溫度傳感器5大的距離與加熱元件4隔開的第二溫度傳感器6。加熱元件4以及溫度傳感器5、6這里構(gòu)造成絲線，所述絲線在兩個(gè)基體3之間暴露地延伸通過測(cè)量通道。在測(cè)量裝置1的一個(gè)備選實(shí)施形式中，溫度傳感器5、6和加熱元件4也可以構(gòu)造成薄層膜，所述薄層膜同樣暴露地延伸通過測(cè)量通道。備選地，溫度傳感器5、6和加熱元件4也可以作為絲線或薄層膜設(shè)置在由熱擴(kuò)散率較低的薄膜片上。

加熱元件4和第一溫度傳感器5設(shè)置成相互隔開通過雙箭頭7示出的小于50μm的距離。第二溫度傳感器6和加熱元件43之間的通過箭頭8指示的距離明顯大于到第一溫度傳感器5到加熱元件的距離，即例如為450μm。

為了測(cè)量體積流量，未示出的控制裝置以時(shí)間上間隔開的電流脈沖給加熱元件4通電，由此，加熱元件4上的溫度在小于100μs的短時(shí)間段內(nèi)近似于脈沖式地升高。通過控制裝置在每個(gè)加熱脈沖之后檢測(cè)第一溫度傳感器5和第二溫度傳感器6上溫度的時(shí)間曲線。由于溫度傳感器5到加熱元件4的距離較小，溫度傳感器5上的時(shí)間上的溫度曲線近似與流動(dòng)介質(zhì)2的流動(dòng)速度和體積流量無關(guān)。由于第二溫度傳感器6距離加熱元件4明顯更遠(yuǎn)，第二溫度傳感器6上的溫度曲線受流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)速度以及由此受體積流量的影響較大。如下面參考圖3還將詳細(xì)說明的那樣，由此可以與氣體種類無關(guān)地由在第一溫度傳感器上出現(xiàn)溫度最大值的第一時(shí)刻和在第二溫度傳感器6上出現(xiàn)溫度最大值的第二時(shí)刻鍵之間的時(shí)間差確定流動(dòng)介質(zhì)的體積流量。

圖1附加地用點(diǎn)劃線9示出第一溫度傳感器5的備選位置。由于第一溫度傳感器5非?？拷訜嵩?設(shè)置，第一溫度傳感器設(shè)置在氣流上游還是氣流下游并不重要。

圖3示意性示出用于基本上與氣體種類無關(guān)地確定通過測(cè)量路段的流動(dòng)介質(zhì)的體積流量的方法的流程圖。在步驟S1中，通過控制裝置用小于100μs的短電流脈沖給加熱元件4通電，由此加熱元件上的溫度近似于脈沖式地變化。

接下來，通過控制裝置同時(shí)在步驟S2中檢測(cè)第一溫度傳感器5上的溫度曲線和在步驟S3中檢測(cè)第二溫度傳感器6上的溫度曲線。溫度傳感器5、6上的溫度變化一方面受到也在靜止的介質(zhì)中發(fā)生的過程、例如受到擴(kuò)散的影響，另一方面還受到流動(dòng)介質(zhì)經(jīng)由加熱元件4朝第二溫度傳感器6的方向的運(yùn)動(dòng)的影響。在圖4中示意性地針對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)速度示出加熱元件4上的溫度曲線以及通過控制裝置檢測(cè)到的溫度傳感器5和溫度傳感器6的測(cè)量值。這里實(shí)線指示加熱元件4上的脈沖式溫度變化。虛線示出第一溫度傳感器5上測(cè)得的溫度曲線，而點(diǎn)劃線示出第二溫度傳感器6上的溫度曲線。這里，在加熱元件4的溫度曲線、第一溫度傳感器5上的溫度曲線和第二溫度傳感器6上的溫度曲線之間分別可以看到檢測(cè)到的最大溫度的減小和溫度最大值的傳播。

在步驟S4中，由第一溫度傳感器5上的溫度的時(shí)間曲線、即由例如圖4中的虛線確定溫度分布具有最大值的第一時(shí)刻與加熱脈沖開始、即與圖4中的實(shí)線的脈沖的起始的距離。

圖5對(duì)于三種不同的氣體示例性示出體積流量與加熱時(shí)刻和檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔之間的關(guān)系。氮?dú)獾臏y(cè)量值用菱形符號(hào)示出、甲烷的測(cè)量值用十字符號(hào)示出，而另一種天然氣的測(cè)量值用圓形符號(hào)示出。這里可以看出，加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔基本上與氣體的體積流量無關(guān)。

在步驟S5中確定在第二溫度傳感器6上的溫度曲線、即例如圖4中的點(diǎn)劃線具有最大值的第二時(shí)刻。

圖6也對(duì)于在圖5中示出的三種不同氣體示出加熱時(shí)刻和第二時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。這里可以看到，在圖6中示出的時(shí)間差主要取決于氣體的體積流量，但在體積流量相同時(shí)，根據(jù)具體氣體，所述時(shí)間間隔會(huì)出現(xiàn)最高約20％的偏差。因此，對(duì)于所示氣體類型利用共同的校準(zhǔn)曲線確定體積流量會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

在步驟S6中計(jì)算第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間差。這相當(dāng)于從在圖6中示出的測(cè)量值中減去在圖5中示出的測(cè)量值。這里，對(duì)于不同的氣體，所述時(shí)間差對(duì)于任意體積流量都分別幾乎是相同的。因此可以在步驟S7中使用共同的校準(zhǔn)曲線，所述校準(zhǔn)曲線僅與測(cè)量裝置1和周圍的測(cè)量通道的特性有關(guān)并且存儲(chǔ)在控制裝置中，以便將在步驟S6中計(jì)算出的時(shí)間差轉(zhuǎn)換成體積流量。

為了除了體積流量以外還確定流動(dòng)介質(zhì)2的其他參數(shù)，在步驟S8中使用存儲(chǔ)在控制裝置中的第二校準(zhǔn)曲線，以便由在步驟S4中確定的加熱時(shí)刻與檢測(cè)到的第一時(shí)刻之間的時(shí)間間隔求得第一氣體參數(shù)、即熱擴(kuò)散率。這里有利對(duì)于多個(gè)加熱間隔計(jì)算熱擴(kuò)散率，并求均值，以便使測(cè)量誤差最小化。

附加地，在步驟S9中求得第一溫度傳感器的溫度最大值處的溫度值、即圖4中虛線的最大值，并且在步驟S10確定第二溫度傳感器6的溫度最大值處的溫度值、即圖4中點(diǎn)劃線的最大值。在步驟S11中，由這兩個(gè)溫度值以及在步驟S8中確定的氣體參數(shù)確定另一個(gè)氣體參數(shù)、即導(dǎo)熱率，并且還得出，哪種氣體或哪種氣體混合物構(gòu)成流動(dòng)介質(zhì)。此外，特別是可以使用多維的校準(zhǔn)曲線或數(shù)值表。但特別是可以并由在步驟S9和S10中計(jì)算出的溫度值和由在步驟S8中確定的熱擴(kuò)散率和所確定的導(dǎo)熱率來確定氣體種類或氣體混合物的組成。這里特別是可以確定氫含量。

附圖標(biāo)記列表

1 測(cè)量裝置

2 介質(zhì)

3 基體

4 加熱元件

5 第一溫度傳感器

6 第二溫度傳感器

7 雙箭頭

8 箭頭

9 線