DE68920847T2

DE68920847T2 - Korrektur für die Fluidzusammensetzung in einem Durchflussmesser.

Info

Publication number: DE68920847T2
Application number: DE68920847T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bonne
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2009-12-16
Also published as: US4961348A; ATE117794T1; CA2000029C; EP0373964A2; CA2000029A1; DE68920847D1; EP0373964B1; JPH02221817A; EP0373964A3

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung eines Fluidflusses und insbesondere ist sie auf die Vermeidung von Ungenauigkeiten bei der Flußmessung gerichtet. Die Erfindung eliminiert Fehler bei der Messung der Geschwindigkeiten des Massen- und Volumenflusses von gasförmigen Fluiden in Bezug auf Änderungen der Zusammensetzung in dem interessierenden Fluid.

2. Verwandter Stand der Technik

Heißfilm-Mikroanemometer-Packungen für die allgemeine Verwendung sind sowohl für Anwendungen beim Fluß in einer und in zwei Richtungen bekannt. Ein Beispiel einer solchen Einrichtung ist dargestellt und beschrieben in dem US- Patent 4.501.144 für Higashi et al. Die Mikroanemometer oder "Mikrobrücken" selbst sind sehr billig in der Herstellung.
Wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben, sind solche Mikroanemometer in der Lage, einen Fluß ganz genau zu erfassen, wenn sie direkt einem vorbeifließenden Fluidstrom ausgesetzt sind und insbesondere, wenn ein solcher Flußlaminar erfolgt. Auf diese Weise kann ein solcher Sensor verwendet werden, um direkt die dynamische Fließcharakteristik des Fluides zu messen.
Während ein solches Sensorsystem verwendet werden kann, um ungefähr den Massenfluß zu messen, wird ein großer Fehleranteil bezüglich Änderungen der Zusammensetzung des gemessenen Fluides in bekannten Vorrichtungen angetroffen, die das System verwenden. Somit bestand eine Notwendigkeit nach einem Massen- oder Volumen-Flußmeßgerät, welches unempfindlich gegenüber Veränderungen der Zusammensetzung des gemessenen Fluides ist.
In der DE-A-1 232 358 wird eine Volumenmessung durch verschiedene physikalische Parameter zum Beispiel durch die spezifische Schwerkraft korrigiert. Dort erfolgt keine Messung der spezifischen Wärme oder der thermischen Leitfähigkeit. Die US-A-1 769 358 bezieht sich auf die Korrektur der Fließgeschwindigkeit durch die spezifische Wärme (z.B. Patentanspruch 6), aber es gibt keinen Hinweis auf die thermische Leitfähigkeit. Die EP-A-0 291 953 nimmt Bezug auf das spezifische Wärmeverhältnis bei der Berechnung der internen Luftkomponente.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß bestimmte Beziehungen bestehen zwischen 1.) dem abgeglichenen Fluß, d.h. dem Flußsignal, das durch Subtraktion des Wertes entsprechend dem Signal korrigiert ist, welches bei einem Fluß von null erhalten wird und 2.) den Flußeigenschaften einschließlich der spezifischen Wärme cp, der thermischen Leitfähigkeit k und der Dichte q. Zusätzlich bestehen bestimmte ähnliche Beziehungen zwischen 1.) dem abgeglichenen Sensorausgang, d.h. dem voltaischen Sensorsignal oder einer anderen verwandten elektrischen Messung, die durch Subtraktion des Wertes geglichen ist, der bei einem Fluß von null erhalten wird und 2.) cp, k und q.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Vorrichtung vor zur Kompensation der Massen- oder Volumenfluß-Messung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung des Fluids in einem Durchflußmesser (10) mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Fluß ausgesetzt ist und ein auf den Fluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei die Vorrichtung umfaßt
eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Mikrobrückensensorausganges (S&sub0;) für das interessierende Fluid;
eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Massenflußwertes (M&sub0;) oder eines volumetrischen Flußwertes (V&sub0;) für das interessierende Fluid in Relation zu dem Mikrobrücken-Sensorausgang;
eine Einrichtung zur Ermittlung der spezifischen Wärme (cp), der thermischen Leitfähigkeit (k) und der Dichte (q) des gasförmigen Fluids; und
eine Einrichtung zur Zuführung eines Korrekturfaktors normiert in Bezug auf ein spezielles Gas zu dem Fließgeschwindigkeitssignal, um den korrigierten Massenflußwert (M&sub0;*) oder den korrigierten volumetrischen Flußwert (V&sub0;*) und den Sensorausgang (S&sub0;*) gemäß einer Beziehung zu erhalten, die ausgewählt wird aus:
Wobei:
M* = korrigierter Massenfluß
S* = korrigierter Ausgang (Sensor)
V* = korrigierter volumetrischer Fluß
k/k&sub0; = normierte thermische Leitfähigkeit
cp/cp&sub0; = normierte spezifische Wärme
q/q&sub0; = normierte Dichte
0 = Bezug auf Basis- bzw. Referenzgas
X&sub1;, X&sub2;, X&sub3; oder Y&sub1;, Y&sub2;, Y&sub3; oder Z&sub1;, Z&sub2; und Z&sub3; Exponenten sind.
Somit sind, basierend auf einer repräsentativen Modellierung, Korrekturfaktoren gefunden worden, die unabhängig von dem Gas erscheinen. Diese Faktoren sind äquivalent zu Parallelverschiebungen der Abweichung von dem aufgezeichneten Signal in Bezug auf die aufgezeichneten Fließkurven, bis eine Überlappung mit einer ausgewählten Referenzkurve erreicht wird. Die Verschiebungen, d.h. die Korrekturfaktoren, werden sodann in der Größe einer Leistungsfunktion der normierten Gaseigenschaften ausgedrückt.
Die Korrekturfaktoren sind individuell bezüglich der Gaszusammensetzung und alle Kurven des Sensorausgangssignales über den Fließkurven (Massenfluß oder volumetrischer Fluß), die für verschiedene individuelle Gase erhalten werden, sind einander gleich mit Ausnahme der individuellen konstanten Faktoren.
In einem veranschaulichten Ausführungsbeispiel macht die vorliegende Erfindung von einem zweiten Mikrobrückensensor Gebrauch, der nicht direkt dem fließenden Fluid ausgesetzt ist, aber in einer entfernteren Verbindung mit diesem Fluid steht und der benutzt werden kann, um bestimmte Parameter zu messen, die auf das Fluid bezogen sind und die eine mehr statische Umgebung erfordern. Ein solcher Sensor wird verwendet für die direkte Messung der thermischen Leitfähigkeit k und der spezifischen Wärme cp gemäß einer bekannten Technik, die die genaue Bestimmung beider Eigenschaften in einem interessierenden Muster unter Verwendung eines einzigen Sensorsystems gestattet. Zusätzlich gestatten diese Eigenschaften die Bestimmung der Dichte bzw. von q.
Die vorliegende Erfindung gibt ferner ein Verfahren vor zur Kompensation der Massen- oder Volumenflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung des Fluids in einem Durchflußmesser (10) mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Fluß ausgesetzt ist und ein auf den Fluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, wobei das Verfahren umfaßt:
die Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Mikrobrücken- Sensorausganges (S&sub0;) für das interessierende Fluid;
die Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Massenflußwertes (M&sub0;) oder eines volumetrischen Flußwertes (V&sub0;) für das interessierende Fluid in Relation zu dem Mikrobrücken-Sensorausgang;
die Ermittlung der spezifischen Wärme (cp), der thermischen Leitfähigkeit (k) und der Dichte (q) des gasförmigen Fluids; und
die Zuführung eines Korrekturfaktors normiert in Bezug auf ein spezielles Gas zu dem Fließgeschwindigkeitssignal, um den korrigierten Massenflußwert (M&sub0;*) oder den korrigierten volumetrischen Flußwert (V&sub0;*) und den Sensorausgang (S&sub0;*) gemäß einer Beziehung zu erhalten, die ausgewählt wird aus:
Wobei:
M* = korrigierter Massenfluß
S* = korrigierter Ausgang (Sensor)
V* = korrigierter volumetrischer Fluß
k/k&sub0; =normierte thermische Leitfähigkeit
cp/cp&sub0; = normierte spezifische Wärme
0 = Bezug auf Basis- bzw. Referenzgas
X&sub1;, X&sub2;, X&sub3; oder Y&sub1;, Y&sub2;, Y&sub3; oder Z&sub1;, Z&sub2; und Z&sub3; Exponenten sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 umfaßt ein schematisches Diagramm, welches eine Schnittansicht eines Fließmeters zeigt und eine schematische Darstellung der zugeordneten E/A-Geräte für das Fließmeter der Erfindung;
Figur 2 ist eine graphische Darstellung, die das Ausgangssignal über der Massenflußmessung in linearen Koordinaten mit seinem zugeordneten nicht-korrigierten Fehler zeigt;
Figur 3 zeigt die gleichen Daten wie in Figur 2, aufgetragen als Sensorwiderstand über dem abgeglichenen Massenfluß in einer logarithmischen Darstellung, um die Unterschiede in den Datenpunkten bei geringem Fluß besser sichtbar zu machen;
Figur 4 zeigt Kurven des abgeglichenen Massenflusses über dem abgeglichenen Ausgangssignal für verschiedene Gase zur Veranschaulichung der grundlegenden Ähnlichkeit der kalibrierten Massenflußkurven für verschiedene Proben;
Figur 4a zeigt Kurven des abgeglichenen Volumens über dem abgeglichenen Ausgangssignal für verschiedene Gase, um ebenfalls die grundlegende Ähnlichkeit der volumetrischen Flußkurven für verschiedene Proben zu veranschaulichen;
Figur 5 zeigt die Korrelation der experimentellen Massenflußausgänge für CO&sub2; und Luft basierend auf CH&sub4; unter Zuführung von Korrekturfaktoren zu M&sub0; und S&sub0; basierend auf k und cp im Vergleich zu Figur 4;
Figur 6 zeigt die Korrelation der experimentellen volumetrischen Flußmessungen für verschiedene Gase unter Anwendung von Korrekturfaktoren für S&sub0; und V&sub0; basierend auf k und cp zu den Proben gemäß 4a;
Figur 7 zeigt eine korrigierte Version der Figuren 2 und 3 für den experimentellen abgeglichenen Mikrobrücken-Sensorausgang über den Massenflußmessungen für verschiedene Gase basierend auf der Zuführung eines Korrekturfaktors basierend auf k und q nur zu M&sub0;; und
Figur 8 zeigt eine andere Lösung für die Figuren 2 und 3 für den experimentellen abgeglichenen Mikrobrücken-Sensorausgang über den Massenflußmessungen für verschiedene Gase basierend auf der Zuführung einer Korrektur basierend auf k und cp ausschließlich zu M&sub0;.

Detaillierte Beschreibung

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flußmessers, der das Konzept der vorliegenden Erfindung verwendet. Das System ist als integraler Teil einer Rohrlänge dargestellt, wie beispielsweise einem Rohr, einem Gasrohr oder einer anderen Leitung oder eines Meßkörpergliedes 10, das leicht angepaßt werden kann, um nahe zu allen vorliegenden Rohrschemata, wie zum Beispiel zwischen ein Paar von beabstandeten Einheiten, Kupplungen oder ähnlichen Elementen eingepaßt zu werden. Das grundlegende System umfaßt ein Paar von Filterelementen 11 und 12, die ein Kapillarsystem flankieren, welches Mittel zum Reduzieren des Leitungsdurchmessers bei 13 und 14 zusammen mit dem Zugang zu einem Aufteilungsbündel umfaßen, das Teile 15 und 16 von Kapillarröhren enthält. Die Reduzierabschnitte 13 und 14 geben einen Beruhigungseffekt vor, um Druckverluste im Zusammenhang mit dem Eintritt und Austritt des Fluides zu und von dem Kapillarbündel zu vermindern. Dies vermindert seinerseits den Gesamtsystem-Druckabfall und den vorauseilenden Geschwindigkeitseffekt.
Eine Mikrobrücke bzw. ein Mikroanemometer-Sensorpaket für die Erfassung des Flusses durch das System ist allgemein dargestellt. Es enthält individuelle Mikrobrückensensoren für die entsprechende dynamische und statische Fluidsensierung. Elektrische Verbindungsstifte schießen das Mikroanemometer an eine Spannungsquelle, die durch den Block 20 dargestellt ist, für den Heizer bzw. die Heizer an und an eine Signalempfangseinrichtung 21 und eine dazugehörige Signal- und Datenverarbeitungseinrichtung 22, um das Ausgangssignal zu interpretieren. Der gewünschte Ausgang kann irgendeine geeignete Form oder Darstellung aufweisen und wird durch den Block 23 repräsentiert.
Die entfernte bzw. statische Mikrobrücke bzw. das Mikroanemometer 18a steht mit dem interessierenden fließenden Fluid über eine Öffnung in dem Meßglied 24 in dem Sensorpaket 17 in Verbindung, so daß eine repräsentative Zusammensetzung beobachtet wird, die grundsätzlich eine statische Umgebung in Bezug auf den Fluß aufweist. Da Zusammensetzungsveränderungen in dem interessierenden fließenden Fluid relativ langsam im Vergleich zu den Fließgeschwindigkeiten auftreten, erfolgt die Antwort des entfernten Mikrobrückensensors zeitgerecht.
Allgemein sind im Hinblick auf die Dünnfilm-Mikrobrücken- bzw. Anemometer- Sensoren, wie sie durch die Bezugsziffern 18 und 18a dargestellt sind, in jüngster Zeit sehr kleine und sehr genaue Mikrobrücken-Halbleiterchip-Sensoren beschrieben worden, in welchen geätzte Halbleiter-Mikrobrücken als Zustands- bzw. Flußsensoren verwendet werden. Solche Sensoren können beispielsweise ein Paar von Dünnfilmsensoren umfassen, die einen Dünnfilmheizer flankieren. Halbleiterchip-Sensoren der beschriebenen Art werden in detaillierterer Weise in einem oder mehreren der folgenden Patente wie beispielsweise 4.478.076, 4.478.077, 4.501.144, 4.555.939, 4.651.564 und 4.683.159 behandelt, die alle dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeordnet sind. In dem erforderlichen Ausmaß können zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf die Mikrobrückensensoren durch Bezugnahme auf diese zitierten Dokumente eingeschlossen werden.
Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung sollte es genügen, zu sagen, daß, wenn der dynamische Flußsensor 18 zum Beispiel ein paar von Dünnfilmsensoren umfaßt, die symmetrisch einen Dünnfilmheizer flankieren, der Sensor beispielsweise verwendet werden kann, um den Fluß in irgend einer Richtung zu erfassen. Dies setzt natürlich voraus, daß die Chipanordnung den Sensor in der geeigneten Ausrichtung positioniert, so daß der Fluß auf die Mikrobrücke unter einem rechten Winkel in dem eingebauten Meßgerät auftrifft. Dies gestattet dem Flußmessersystem der vorliegenden Erfindung ferner eine umkehrbare Anordnung in Bezug auf das Leitungssystem des interessierenden Fluides, da es sodann zeitlich vollständig symmetrisch ist.
Der Sensor 18 ist sodann direkt dem vorbeifließenden Fluidstrom in der Leitung ausgesetzt. Dieser Sensor wird verwendet, um direkt die dynamische Fließcharakteristik des Fluides zu messen.
Der zweite Mikroanemometer-Sensor 18a, der Rücken an Rücken mit dem Sensor 18 angeordnet werden kann, wie dies in Figur 1 veranschaulicht ist, gestattet die gleichzeitige Messung von anderen Parametern des Fluides zusammen mit dem dynamischen Fluß. Wie zuvor festgestellt, befindet sich der Sensor 18a in direkter Verbindung mit dem Fluid, während er nicht direkt dem fließenden Fluid ausgesetzt ist und er kann verwendet werden, um bestimmte Parameter bezüglich des Fluides zu messen, die durch eine mehr statische Umgebung ermöglicht werden.
Ein solcher Sensor kann verwendet werden für die direkte Messung der thermischen Leitfähigkeit k und der spezifischen Wärme cp gemäß seiner Technik, die die genaue Bestimmung beider Eigenschaften gestattet, wobei eine interessierende Probe unter Verwendung eines einzigen Sensorsystems benutzt wird. Diese Technik beabsichtigt die Erzeugung einer Energie oder eines Temperaturimpulses in einem oder mehreren Heizelementen, die in dem interessierenden Fluidmedium angeordnet sind und eng an dieses angeschlossen sind. Charakteristische Werte von k und cp des interessierenden Fluides veranlassen sodann entsprechende Änderungen in der zeitveränderlichen Temperaturcharakteristik des Heizers auf den Impuls. Unter relativ statischen Fließbedingungen der Probe ruft dies seinerseits entsprechende Veränderungen in dem zeitveränderlichen Ansprechverhalten von einem oder mehreren temperaturempfindlichen Sensoren hervor, die prinzipiell an den Heizer über das interessierende Fluidmedium angeschlossen sind.
Der thermische Impuls dieser Quelle muß nur eine ausreichende Dauer aufweisen, so daß der Heizer eine im wesentlichen stationäre Temperatur für eine kurze Zeit erreicht. Dieser Impuls erzeugt sowohl stationäre als auch Übergangszustände in dem Sensor. Die thermische Leitfähigkeit k und die spezifische Wärme cp kann mit dem gleichen sensierten thermischen Impuls erfaßt werden, indem ein stationäres Temperaturniveau verwendet wird, um k festzustellen, welches sodann mit der Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit in dem Übergangszustand verwendet wird, um cp festzustellen.
Zusätzlich ist festgestellt worden, daß, wenn einmal die Werte der spezifischen Wärme und der thermischen Leitfähigkeit festgestellt worden sind, diese Messungen verwendet werden können, um die Dichte bzw. die spezifische Schwerkraft bzw. q des interessierenden Fluides als eine Funktion von cp, k gemäß einer empirischen Polynombeziehung festzustellen.
Die Verfügbarkeit aller Messungen, die das Fluid charakterisieren und die aus der Kombination des beeinflußten und des statischen Mikroanemometer-Sensors des Flußmeters abgeleitet werden, gestattet die Festlegung der Korrekturen gemäß der vorliegenden Erfindung. Natürlich können die Parameter wie k, cp und q des Gases durch andere Mittel festgelegt werden, wenn dies in anderen Anwendungsfällen erwünscht ist.
Figur 2 zeigt den abgeglichenen Sensorausgang, der über dem abgeglichenen Massenfluß für sechs verschiedene Gase aufgetragen ist. Natürlich sollte der gleiche Massenfluß von irgendeinem interessierenden Fluid die gleiche Ausgangsspannung erzeugen, d.h., es sollten alle Kurven übereinstimmen. Die hohen bzw. nicht-korrigierten Daten zeigen eine beträchtliche Abweichung zwischen den verschiedenen Gasen. Figur 3 repräsentiert die Daten von Figur 2, aufgetragen als logarithmische Funktionen. Dort ist der Signalausgang als abgeglichener Sensorwiderstand gegenüber einem Spannungsausgang dargestellt, um die vertikale Achse auszudehnen. Figur 3 zeigt die Unterschiede von Figur 2 in etwas mehr dramatischer Form speziell bei den niedrigeren Fließgeschwindigkeiten, d.h. bei < 100 mg/min. In einigen Fällen treten Diskrepanzen bzw. Fehler bis zu 100% oder mehr bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten für einen vorgegebenen Sensorausgang auf. Die Daten der Figuren 2 und 3 wurden erhalten durch einen Betrieb des Flußsensor-Heizers bei konstanter Temperatur oder bei einer Anhebung der Temperatur über die Umgebungstemperatur.
Die Figuren 4 und 4a sind bemerkenswert, da sie bestimmte Ähnlichkeiten veranschaulichen, die zwischen Gasen vorliegend gefunden wurden, die bei Massenfluß-Messungen beteiligt waren. Die Kurven sind - obleich nicht deckungsgleich - bemerkenswert ähnlich in der Form und zeigen eine Art von Parallelverschiebung, speziell wenn sie in einer logarithmischen Darstellung wie in Figur 4 aufgezeichnet werden. Diese Ansicht ist nicht so augenscheinlich bei der linearen Aufzeichnung gemäß Figur 4a. Eine vollständige Deckungsgleichheit zeigt natürlich eine übereinstimmende fehlerfreie Messung an. Die Ähnlichkeit in der Form der abgeglichenen Messungen zeigt an, daß ein konstanter Korrekturfaktor für jedes Gas möglich sein kann, wenn die Grundlage bzw. die Gründe für die Veränderung bei der Ablesung zwischen den Proben bekannt sind.
Gemäß der Erfindung sind Verschiebe-Korrekturfaktoren in der Form von einfachen konstanten Faktoren für jedes Gas aufgefunden worden, um die Massen- oder volumetrischen Flußmessungen im Sensorausgang auszugleichen. Dies ist verwirklicht worden durch Verwendung von Faktoren, die aus den individuellen Gaseigenschaften wie k, cp und q abgeleitet werden. Zusätzliche Faktoren können verwendet werden in Abhängigkeit von den Genauigkeitsanforderungen des korrigierten Signales.
Es ist gefunden worden, daß solche Korrekturfaktoren auf der Auswertung der kleinsten Fehlerquadrate gemäß den folgenden Ausdrücken basieren können:
M*/M&sub0; = AkX1cpX2
S*/S&sub0; = Bky1cpy2
Diese Lösung wurde angewendet, um die Diskrepanzen von Figur 4 zu korrigieren, wie dies in der Tabelle 1 und den folgenden mit einer Normierung in Bezug auf CH&sub4; gezeigt ist. Tabelle I. Flußkurvenverschiebung in Bezug auf CH&sub4;
Wobei:
V = volumetrisch
V&sub0; abgeglichene volumetrische Messung
Vorgegeben das Problem, um zu finden:
A,B,X&sub1;, ...,Y&sub1;, ... so daß
M*/M&sub0; = AkX1cpX2
S&sub0;*/S&sub0; = Bky1cpy2
Für irgendein Gas:
Lösung: A = 1/(k&sub0;X1cp&sub0;X2) für CH&sub4;
B = 1/(k&sub0;Y1cp&sub0;Y2) für CH&sub4;
X&sub1; = .6816 X&sub2; = 1.748
Y&sub1; = .7611 Y&sub2; = .01087
Wobei der Index (0) sich auf das Basis- bzw. Referenzgas bezieht. In diesem Fall ist das Referenzgas Methan.
Diese Lösung für den Massenfluß, bei der der Sensor mit konstantem Strom betrieben wird, ist graphisch in Figur 5 wiedergegeben.
Ebenfalls unter Verwendung von CH&sub4; als Referenzgas und mit dem Betrieb des Sensors im Konstantstrommodus ist die volumetrische Korrelation für Luft anstelle der Naturgasdaten in Figur 4a veranschaulicht. Die gleiche Gruppe von Daten wie in den Figuren von 4a und 5, ist in Figur 6 gezeigt. Diese zeigt ebenfalls die gute Korrelation. Nimmt man die Anzahl der Parameter und die Anzahl der Gase in dieser Datengruppe, so kann ein kritischer Wissenschaftler die allgemeine Gültigkeit der Voraussetzung in Frage stellen, würde sie nicht für einen großen Teil anderer Daten erhärtet. Die Übereinstimmung scheint die Lösung zu bestätigen.
Figur 7 zeigt eine korrigierte Version von Figur 3, ebenfalls unter Verwendung von CH&sub4; als Referenzgas. In diesem Fall wurde der Mikrobrückenheizer in einem konstanten Temperaturmodus anstatt mit einem konstanten Stromeingang beschrieben. In dieser Korrektur sollte vermerkt werden, daß S&sub0; nicht korrigiert wurde und ein zusätzlicher Faktor bezüglich der Dichte q/q&sub0; ebenfalls benutzt wurde.
Figur 3 zeigt eine weitere Lösung bzw. korrigierte Version von Figur 2 bzw. 3, bei der der Sensor ebenfalls in einem konstanten Temperaturmodus betrieben wird und der Sensorausgang nicht korrigiert ist. Diese Lösung unterscheidet sich von der in Figur 7 nur durch die Eliminierung des Dichtefaktors q/q&sub0;. Sie zeigt einige Diskrepanz im Hinblick auf He, was aufgrund der sehr unterschiedlichen Eigenschaften von k und cp verständlich ist.
Während des Betriebs wird das obige Verfahren normalerweise in der angegebenen Weise ausgeführt unter Verwendung einer oder mehrerer der unten erläuterten Schritte, um ein erfaßtes Signal S&sub0; in einen korrekten Massenfluß M&sub0;* oder einen volumetrischen Fluß V&sub0;* umzuwandeln; es sei ferner vermerkt, daß das erforderliche Maß an Genauigkeit und andere Betrachtungen demjenigen, der diese Korrekturen anwendet und die Wahl der Korrektur bezüglich des Maßes beeinflussen:
1. Erfasse das Signal S und wandle es in seine korrigierte Version S* um gemäß irgendeiner der folgenden Alternativen, basierend auf dem speziellen Gas oder der beteiligten Kombination;
S&sub0;*/S&sub0; = 1 (mit konstanter Temperatur-Heizerbetätigung) oder
S&sub0;*/S&sub0; = (k/k&sub0;)Y1 (cp/cp&sub0;)Y2 oder
S&sub0;*/S&sub0; = (k/k&sub0;)Y1 (cp/cp&sub0;)Y2 (q/q&sub0;)Y3 oder
S&sub0;*/S&sub0; = (k/k&sub0;)Y1 (cp/cp&sub0;)Y2 (q/q&sub0;)Y3
2. Feststellung des nicht-korrigierten Flusses M&sub0; durch Verwendung der Standard-Kalibrierkurve:
M&sub0; = (S&sub0;*) oder V&sub0; = (S&sub0;*) oder
M&sub0; oder V&sub0; = a&sub0; + a&sub1;f&sub1;(S&sub0;*) + a&sub2;f&sub2;(S&sub0;*)
Wobei M&sub0; (oder V&sub0; ggf.) nicht-definierte Zwischenmengen sind, die dem Massenfluß bzw. dem volumetrischen Fluß ähneln, die aber eine weitere korrigierende Verarbeitung gemäß Schritt 3 erfordern, um den tatsächlichen Fluß zu repräsentieren,
oder durch Iteration:
S* = b&sub0; + b&sub1;g&sub1;(M&sub0;) + b&sub2;g&sub2;(M&sub0;) +...
kann ein Ergebnis beispielsweise sein
S* = 0 + 4.8179 exp(-15.038/V&sup5;&sup7;) -5.1324 exp(-44.204/V&sup6;)
wobei a&sub0;, a&sub1; ...an, b&sub0;, b&sub1; ... bn Konstanten sind; f&sub0;, f&sub1; ... fn und g&sub0;, g&sub1; ... gn Funktionen sind.
3. Auffinden des korrigierten Flusses M&sub0;* oder V&sub0;* gemäß der Alternative
wobei Z&sub1;, Z&sub2; Exponenten sind.
Zum Beispiel ist in Figur 4a
Z&sub1; = 0.771, Z&sub2; = 0.8547
Y&sub1; = 0.7611, Y&sub2; = 0.01087
mit k&sub0; und cp&sub0; auf die Referenz für CH&sub4; beziehend, was sodann zu Figur 6 umgewandelt wurde.
Die Verwendung von Daten der Kompositions-Korrekturtechnik gestattet die Ableitung einer Messung des Energiewertes für den Gasfluß. Ist zum Beispiel die Zusammensetzung des Gasflusses während einer Messung festgestellt worden und kennt man die Heizkraft und andere Charakteristiken der Bestandteile der Mischung, so ist es leicht möglich, den Energiewert des Gasflusses in diesem Moment herzuleiten und somit mit einer geeigneten Summierung oder Integration über der Zeit eine Messung des gesamten zugeführten Energieinhaltes zu verwirklichen.
Es ist klar, daß ein solches Merkmal leicht in der Mikrobrücke durch einen geeigneten Entwurf und einen Betrieb der Datenverarbeitungseinrichtung 22 verwirklicht werden kann und einen wesentlichen technischen und in hohem Maße vermarktbaren Fortschritt gegenüber bestehenden Mikrobrücken-Fluid- Flußmessern und gegenüber Fluid-Flußmessern unter Verwendung von anderen Technologien gewährleistet.
Somit beinhaltet die vorliegende Erfindung Verfahren zur Feststellung des Energiewertes von Gasflüssen, insbesondere unter Verwendung von Kompositions-Korrekturtechniken, wie sie zuvor beschrieben wurden und sie beinhaltet ferner eine Einrichtung zur Verwirklichung von solchen Verfahren.
Es ist somit gezeigt worden, daß die vorliegende Erfindung große Fortschritte zu machen gestattet im Hinblick auf die Erzielung eines billigen, sehr genauen Systems zur Messung und zur Überwachung des Massenflusses, des volumetrischen Flusses oder des Energieinhaltes. Dies wurde verwirklicht durch die Erkenntnis und die Lösung eines Problems, das lange die Flußmessung behaftete. Die Anwendung von bekannten physikalischen Gasparametern für die Kompensation von Zusammensetzungsänderungen gestattet eine weitverbreitete Anwendung von Mikroanemometer-Flußsensoren in Fällen, die bislang für diese nicht zugänglich waren.

Claims

1. Vorrichtung zur Kompensation der Massen- oder Volumenfluß-Messung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung des Fluids in einem Durchflußmesser (10) mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Fluß ausgesetzt ist und ein auf den Fluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, umfassend:

eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Mikrobrücken- Sensorausganges (S&sub0;) für das interessierende Fluid;

eine Einrichtung zur Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Massenflußwertes (M&sub0;) oder eines volumetrischen Flußwertes (V&sub0;) für das interessierende Fluid in Relation zu dem Mikrobrücken-Sensorausgang;

eine Einrichtung zur Ermittlung der spezifischen Wärme (cp), der thermischen Leitfähigkeit (k) und der Dichte (q) des gasförmigen Fluids; und

eine Einrichtung zur Zuführung eines Korrekturfaktors, normiert in bezug auf ein spezielles Gas, zu dem Fließgeschwindigkeitssignal, um den korrigierten Massenflußwert (M&sub0;*) oder den korrigierten volumetrischen Flußwert (V&sub0;*) und den Sensorausgang (S&sub0;*) gemäß einer Beziehung zu erhalten, die ausgewählt wird aus:

S&sub0;*/S&sub0;=(k/k&sub0;)Y1 (cp/cp&sub0;)Y2 (q/q&sub0;)Y3

wobei:

M* = korrigierter Massenfluß

S* = korrigierter Ausgang (Sensor)

V* = korrigierter volumetrischer Fluß

k/k&sub0; = normierte thermische Leitfähigkeit

cp/cp&sub0; = normierte spezifische Wärme

q/q&sub0; = normierte Dichte

0 = Bezug auf Basis- bzw. Referenzgas

X&sub1;, X&sub2;, X&sub3;, oder Y&sub1;, Y&sub2;, Y&sub3;, oder Z&sub1;, Z&sub2;, und Z&sub3;, Exponenten sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

M&sub0;*/M&sub0;=(k/k&sub0;)X1 (cp/cp&sub0;)X2

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

V&sub0;*/V&sub0;=(k/k&sub0;)Z1 (cp/cp&sub0;)Z2

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

M&sub0;*/M&sub0;=(k/k&sub0;)X1 (cp/cp&sub0;)X2 (q/q&sub0;)X3

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

V&sub0;*/V&sub0;=(k/k&sub0;)Z1 (cp/cp&sub0;)Z2 (q/q&sub0;)Z3

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

6. Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine zweite Mikrobrücke in relativ statischem Austausch mit dem interessierenden Fluid, um k und cp zu bestimmen.

7. Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Normierung der Korrekturfaktoren in bezug auf CH&sub4;.

8. Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung von Korrekturfaktoren für mehrere Gase.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung von Korrekturfaktoren für CH&sub4;, CO&sub2;, O&sub2;, Luft, C&sub3;H&sub8;, Ar und He.

10. Vorrichtung nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verwendung der Korrekturdaten der Zusammensetzung, um den Energiewert des fließenden Fluids zu bestimmen.

11. Verfahren zur Kompensation der Massen- oder Volumenflußmessung eines interessierenden gasförmigen Fluids bezüglich Änderungen der Zusammensetzung des Fluids in einem Durchflußmesser (10) mit einer ersten dynamischen Mikrobrücke, die dem Fluß ausgesetzt ist und ein auf den Fluß bezogenes Ausgangssignal erzeugt, umfassend:

die Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Mikrobrücken-Sensorausganges (S&sub0;) für das interessierende Fluid;

die Ermittlung eines nicht-korrigierten abgeglichenen Massenflußwertes (M&sub0;) oder eines volumetrischen Flußwertes (V&sub0;) für das interessierende Fluid in Relation zu dem Mikrobrücken-Sensorausgang;

die Ermittlung der spezifischen Wärme (cp), der thermischen Leitfähigkeit (k) und der Dichte (q) des gasförmigen Fluids; und

die Zuführung eines Korrekturfaktors, normiert in bezug auf ein spezielles Gas, zu dem Fließgeschwindigkeitssignal, um den korrigierten Massenflußwert (M&sub0;*) oder den korrigierten volumetrischen Flußwert (V&sub0;*) und den Sensorausgang (S&sub0;*) gemäß einer Beziehung zu erhalten, die ausgewählt wird aus:

wobei:

M* = korrigierter Massenfluß

S* = korrigierter Ausgang (Sensor)

V* = korrigierter volumetrischer Fluß

k/k&sub0; = normierte thermische Leitfähigkeit

cp/cp&sub0; = normierte spezifische Wärme

0 = Bezug auf Basis- oder Referenzgas

X&sub1;, X&sub2;, X&sub3;, oder Y&sub1;, Y&sub2;, Y&sub3;, oder Z&sub1;, Z&sub2;, und Z&sub3; Exponenten sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

M&sub0;*/M&sub0;=(k/k&sub0;)X1 (cp/cp&sub0;)X2

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

V&sub0;*/V&sub0;=(k/k&sub0;)Z1 (cp/cp&sub0;)Z2

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

M&sub0;*/M&sub0;=(k/k&sub0;)X1 (cp/cp&sub0;)X2 (q/q&sub0;)X3

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung vorgegeben ist durch:

V&sub0;*/V&sub0;=(k/k&sub0;)Z1 (cp/cp&sub0;)Z2 (q/q&sub0;)Z3

und

S&sub0;*/S&sub0;=1.

16. Verfahren nach irgendeinem der Anspruche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß k und cp durch eine zweite Mikrobrücke in relativ statischem Austausch mit dem interessierenden Fluid bestimmt werden.

17. Verfahren nach irgendeinem der Anspruche 11 bis 16, gekennzeichnet durch eine Normierung der Korrekturfaktoren in bezug auf CH&sub4;.

18. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch die Ermittlung von Korrekturfaktoren für mehrere Gase.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Ermittlung von Korrekturfaktoren für CH&sub4;, CO&sub2;, O&sub2;, Luft, C&sub3;H&sub8;, Ar und He.

20. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch die Verwendung von Korrekturdaten der Zusammensetzung, um den Energiewert des Fluidflusses zu bestimmen.