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Title:
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FLOW VELOCITIES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/113375
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device operating according to said method for measuring flow velocities. A basic calibration is performed independently of the device, by means of which coefficients are determined that represent an influence of variables to which the device is subjected during measurement, for example, properties of the flowing medium and flow velocity. For operating the device, a device-specific operational calibration is performed, wherein a device-specific transmission factor is determined. Thus, during operation of the device, no further calibration, even when changing the medium, is necessary, due to the device-independent coefficients and the device-specific transmission factors being known.

Inventors:
BETTENHAUSEN KURT DIRK (DE)
ENS WOLFGANG (DE)
GRIEB HERBERT (DE)
HAUPTMANN PETER (DE)
SCHAEFER ROBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2007/002358
Publication Date:
September 25, 2008
Filing Date:
March 16, 2007
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
BETTENHAUSEN KURT DIRK (DE)
ENS WOLFGANG (DE)
GRIEB HERBERT (DE)
HAUPTMANN PETER (DE)
SCHAEFER ROBERT (DE)
International Classes:
G01F1/684; G01P5/12; G01F25/00; G01P21/02
Foreign References:
US5201221A1993-04-13
Other References:
LEKAKIS I: "CALIBRATION AND SIGNAL INTERPRETATION FOR SINGLE AND MULTIPLE HOT- WIRE/HOT-FILM PROBES", MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 7, no. 10, October 1996 (1996-10-01), pages 1313 - 1333, XP000632220, ISSN: 0957-0233
JORGENSEN F E: "THE COMPUTER-CONTROLLED CONSTANT-TEMPERATURE ANEMOMETER. ASPECTS OF SET-UP, RPOBE CALIBRATION, DATA ACQUISITION AND DATA CONVERSION", MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 7, no. 10, October 1996 (1996-10-01), pages 1378 - 1387, XP000632223, ISSN: 0957-0233
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Verfahren zur Basiskalibrierung einer Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen von der Vorrichtung umfassten, durch eine Stromquelle (14) gespeisten Hitzdraht (12), wobei die Vorrichtung mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird, wobei für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht (12) entsprechend einer vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Z e ,(s) aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) bestimmt wird und wobei anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Z el (s) ergebenden Parameter ein ausreichend bestimmtes Gleichungssystem gebildet und daraus eine Koeffizientenmatrix A ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Koeffizientenmatrix A mit einem numerischen Schätzverfahren ermittelt wird.

3. Verfahren zur Betriebskalibrierung einer entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 kalibrierten Vorrichtung mit einer eingeprägten Koeffizientenmatrix A, wobei eine Beziehung zwischen einer messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Z e! (s) und einer im Betrieb wirkenden thermischen Impedanz Z therm (s) des Hitzdrahts (12) durch einen übertragungsfaktor φ(s) modelliert wird, wobei die Vorrichtung mit einem hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften x(s) bekannte Medium mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt wird, wobei aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem

Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) die elektrische Impedanz Z el (s) ermittelt wird und mit der elektrischen Impedanz Z el (s) und den bekannten Parametern Stoffeigenschaften x(s) und Strömungsgeschwindigkeit m der übertragungsfaktor φ(s) ermittelt wird.

4. Verfahren zum Betrieb einer entsprechend dem Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4 kalibrierten Vorrichtung, wobei zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m der im Rahmen der Betriebskalibrierung ermittelte übertragungsfaktor φ(s) zugrunde gelegt wird.

5. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.

6. Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 5.

7. Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen durch eine Stromquelle (14) mit einem Speisestrom I(s) gespeisten Hitzdraht (12), mit einem Steuergerät (20) zur Messung einer über dem Hitzdraht (12) abfallenden Spannung U(s) und entweder einem durch das Steuergerät (20), insbesondere eine davon umfasste Verarbeitungseinheit, ausgeführten oder ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 5 oder einem durch das Steuergerät (20) lesbaren Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 6.

Description:

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten und als eine solche Vorrichtung insbesondere ein so genanntes Hitzdrahtanemometer. Speziell bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Kalibrierung solcher Vorrichtung sowie auf eine Vorrichtung, bei der eine solche Kalibrierung vorgesehen ist. Nach der Kalibrierung arbeitet sowohl das Verfahren als auch die Vorrichtung mit der gefundenen Kalibrierung, so dass insoweit die Erfindung sich auch insgesamt - wie oben angegeben - auf ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bezieht .

Hitzdrahtanemometer sind an sich bekannt. Darin ist als Heiz- element ein Hitzdraht angeordnet, dessen temperaturabhängiger elektrischer Widerstand oder dessen thermisch bedingte Längenänderung zur Messung von physikalischen Größen, insbesondere Massenstrom, Strömungsgeschwindigkeit, etc., verwendet wird. Massenstrom und Strömungsgeschwindigkeit werden in der vorliegenden Anmeldung als synonyme Begriffe verwendet. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass der Massefluss über die Dichte und den Strömungsquerschnitt mit der Strömungsgeschwindigkeit zusammenhängt. Zur Kalibrierung und zum Betrieb eines Anemometers ist daher eine einheitliche Wahl der je- weils interessierenden physikalischen Größe Massefluss oder Strömungsgeschwindigkeit erforderlich .

Bei den o.g. Vorrichtungen, also insbesondere Hitzdrahtanemometern, hängt die durch Konvektion abgeführte Wärmemenge an ein strömendes Medium - im Folgenden auch als Stoff bezeichnet - sowohl von dessen Strömungsgeschwindigkeit als auch von dessen Stoffeigenschaften, insbesondere spezifische Wärmekapazität, Dichte, Viskosität, usw., ab. Eine präzise Massen-

Strommessung erfordert entsprechend eine geeignete Kalibrierung auf solche Stoffeigenschaften. Dies ist aufwändig, da für jeden zu messenden Stoff bisher eine individuelle Kalibrierung erforderlich war. Zudem sind nur für einzelne, be- kannte Stoffe Kalibrierdaten in Tabellenwerken oder dergleichen vorhanden; für unbekannte Verbindungen müssen solche Werte bestimmt werden. Bei jedem Wechsel eines von der Vorrichtung zu erfassenden Stoffs müssen die Kalibrierdaten zudem noch aktualisiert werden.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der oben genannten Art und eine nach dem Verfahren arbeitende derartige Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. bei der die oben genannten Nachteile vermieden werden oder hinsichtlich ihrer Auswirkungen reduziert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, soweit eine im Folgenden als Basiskalibrie- rung bezeichnete Kalibrierung betroffen ist. Dazu ist bei einem Verfahren zur Basiskalibrierung einer Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Auswertung der Wirkung einer Konvektion eines strömenden Mediums auf einen von der Vorrichtung umfassten, durch eine Stromquelle ge- speisten Hitzdraht vorgesehen, dass im Rahmen des Verfahrens die Vorrichtung, also z.B. ein als Massestrommessgerät fungierendes Hitzdrahtanemometer, mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird. Des Weiteren wird für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht entsprechend einer vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Z e ,(s) aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht abfallenden Spannung U(s) bestimmt. Die auf diese Weise erhaltenen Systemantworten gestatten eine Aussage zur Wirkung bestimmter Stoffe bei bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten auf die jeweilige Konvektion am Hitz-

draht und ermöglichen damit eine Kalibrierung der Vorrichtung in Bezug auf vorrichtungsunabhängige, also insbesondere anemometerunabhängige, stoffspezifische Einflussfaktoren. Entsprechend wird diese erste Form der Kalibrierung auch als Ba- siskalibrierung bezeichnet. Dazu werden abschließend anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Z el (s) ergebenden Parameter ein ausreichend bestimmtes Glei- chungssystem gebildet und daraus eine Koeffizientenmatrix A ermittelt. Die Basiskalibrierung liefert Daten in Form einer Koeffizientenmatrix A , die - kurz gefasst - eine Beschreibung der bisher in Tabellenwerken oder dergleichen vorgehaltenen Stoffeigenschaften für eine Mehrzahl verschiedener Stoffe umfasst, also die messgerätunabhängigen Kalibrierungs- daten.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung hinsichtlich der Basiskalibrierung besteht darin, dass es sich bei der in der Koef- fizientenmatrix A verfügbaren Beschreibung von Stoffeigen- Schäften nunmehr nicht länger um einzelne Stoffe, sondern um Charakteristiken (Kennlinien) , die eine Abhängigkeit zwischen der Konvektion und einzelnen Stoffeigenschaften repräsentieren, handelt. Somit kann prinzipiell auch in a priori unbekannten Stoffen ohne die Notwendigkeit einer erneuten Kalib- rierung in Bezug auf den jeweiligen Stoff exakt gemessen werden; die durch die Koeffizientenmatrix A und die davon um- fassten Modellkoeffizienten beschriebenen Kennlinien erlauben also eine „Interpolation", wenn ein Stoff untersucht wird, der hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften „zwischen" solchen Stoffen anzusiedeln ist, die bei der Ermittlung der Koeffi- zientenmatrix A zugrunde gelegt wurden.

Die o.g. Aufgabe wird erfindungsgemäß auch mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst, soweit eine im Folgenden als Be- triebskalibrierung bezeichnete Kalibrierung betroffen ist. Dazu ist bei einem Verfahren zur Betriebskalibrierung einer entsprechend dem oben skizzierten und nachfolgend weiter beschriebenen Verfahren bereits (vor-) kalibrierten und insoweit

mit einer z.B. in an sich bekannter Art und Weise in einem der Vorrichtung zugeordneten Speicher eingeprägten Koeffi- zientenmatrix A versehenen Vorrichtung, also z.B. ein als Massestrommessgerät fungierendes Hitzdrahtanemometer, vorge- sehen, dass eine Beziehung zwischen einer messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Z el (s) und einer im Betrieb wirkenden thermischen Impedanz Z therm {s) des Hitzdrahts durch einen übertragungsfaktor φ(s) modelliert wird. Zur Betriebskalibrierung wird die Vorrichtung dann mit einem hinsichtlich seiner Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medium mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt. Damit kann aus einem Speisestrom I(s) und einer über dem Hitzdraht abfallenden Spannung U(s) die elektrische Impedanz Z el (s) und mit der elektrischen Impedanz Z el (s) und den bekannten Parametern Stoffeigenschaften x(s) Strömungsgeschwindigkeit m der übertragungsfaktor φ(s) ermittelt werden. Der übertragungsfaktor φ{s) beschreibt vorrichtungsabhängige, also insbesondere anemometerabhängige, Einflussfaktoren auf das Messergebnis. Die Betriebskalibrierung ist sehr schnell und ohne weiteres auch jederzeit vor Ort durchzuführen. Die Betriebskalibrierung setzt eine im Vergleich dazu vergleichsweise aufwendige Basiskalibrierung voraus, die allerdings für eine bestimmte Gruppe von Stoffen nur einmal und auch nicht in Bezug auf eine bestimmte Messvorrichtung oder eine Gruppe von Messvorrichtungen durchgeführt werden muss.

Die Ergebnisse der Basiskalibrierung sind für beliebige Messvorrichtungen universell verwendbar und die Betriebskalibrierung liefert gleichsam die Adaption der Basiskalibrierung an die jeweilige Messvorrichtung.

Mit der Koeffizientenmatrix A und dem übertragungsfaktor φ(s) kalibrierte Vorrichtungen, also insbesondere Anemometer, sind jetzt für die Verwendung an einem konkreten Einsatzort vorbereitet. Die Koeffizientenmatrix A gestattet - ohne Neu- kalibrierung - auch eine Messung bisher nicht empirisch er- fasster Stoffe unter der Voraussetzung, dass derartige Stoffeigenschaften durch „Interpolation" von den durch die Koeffi- zientenmatrix A beschriebenen Kennlinien erfasst werden. Der

übertragungsfaktor φ{s) berücksichtigt Besonderheiten einzelner Messvorrichtungen, z.B. die zwischen verschiedenen Messvorrichtungen selbst der gleichen Baureihe immer zumindest in geringem Maße variierende Länge des Hitzdrahts.

Vorteile und Einzelheiten ergeben sich anhand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist danach z.B. vorgesehen, dass die Koeffizientenmatrix A mit einem numeri- sehen Schätzverfahren, z.B. Ordinary Least Squares (OLS),

Principle Component Regression (PCR), Partial Least Squares (PLS), usw., ermittelt wird. Im praktischen Einsatz wird zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m der im Rahmen der Betriebskalibrierung ermittelte übertragungsfaktor φ(s) zugrunde gelegt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, das nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen ist. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprü- chen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen

Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Darin zeigen

FIG 1 eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung eines Hitzdrahtanemometers und FIG 2 eine weitere, ebenfalls schematisch vereinfachte Darstellung eines Hitzdrahtanemometers.

FIG 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung eines Hitzdrahtanemometers 10 als Beispiel für eine Vorrich- tung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten oder Masseflüssen. Das Hitzdrahtanemometer 10 umfasst einen Hitzdraht 12 (FIG 2), der von einer Stromquelle 14 mit einem Strom I(s) gespeist wird (der in FIG 1 dargestellte übertrager, dessen einer Teil ebenfalls mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist, ist nicht mit dem Hitzdraht 12 gleichzusetzen, sondern repräsentiert lediglich dessen elektrisches Verhalten in Abhängigkeit von der wirkenden thermischen Impedanz; von der elektrischen Seite, also im Sinne eines Ersatzschaltbildes, entspricht der Hitzdraht 12 also eher der Gesamtheit von über- trager thermischer Impedanz) . über dem Hitzdraht 12 fällt im Betrieb eine Spannung U(s) ab. Mit diesen beiden Größen kann eine elektrische Impedanz Z el (s) des Hitzdrahts 12 ermittelt werden.

FIG 2 zeigt das Hitzdrahtanemometer 10 mit einigen weiteren Details. Danach ist der Hitzdraht 12 in einem Volumen, z.B. einer Röhre 16 angeordnet. Die Röhre 16 wird im Betrieb von einem Medium, nicht separat dargestellt sondern nur durch den Blockpfeil 18 verdeutlicht, durchströmt. Das Medium passiert dabei auch den Hitzdraht 12. Entsprechend jeweiliger Stoffeigenschaften x(s) des Mediums, z.B. Wärmekapazität, etc., gibt der Hitzdrahts 12 durch den Stromfluss erzeugte Wärme an das Medium ab. Der dadurch bewirkte Temperaturabfall beeinflusst

in an sich bekannter Art und Weise den Widerstand des Hitz ¬ drahts 12, der sich durch den Quotienten aus über dem Hitz ¬ draht 12 abfallender Spannung U(s) und Speisestrom I(s) ausdrücken lässt.

Gemäß FIG 2 umfasst das Hitzdrahtanemometer 10 auch ein Steu ¬ ergerät 20, das seinerseits einen die Stromquelle 14 (FIG 1) umfassenden Leistungsteil 22, eine Verarbeitungseinrichtung, insbesondere einen Prozessor 24 oder dergleichen, und einen Speicher 26 umfasst. Das Leistungsteil 22 umfasst neben der Stromquelle 14 auch an sich bekannte Mittel zum Messen der über dem Hitzdraht 12 abfallenden Spannung U(s) .

Mit einem Hitzdrahtanemometer 10 wird - wie oben bereits er- wähnt - zur Massenstrommessung die über Konvektion vom Hitzdraht 12 abgeführte Wärmemenge an ein Medium, also z.B. ein am Hitzdraht vorbeiströmendes Gas, ausgewertet. Dabei hängt die abgeführte Wärmemenge sowohl von einer Strömungsgeschwindigkeit m des Mediums als auch von dessen Stoffeigenschaften x(s) (spezifische Wärmekapazität, Dichte, Viskosität, etc.) ab. Eine präzise Massestrommessung erfordert eine Kalibrierung auf die Stoffeigenschaften.

Zur Kalibrierung des Hitzdrahtanemometers 10 sind eine Basis- kalibrierung und eine Betriebskalibrierung vorgesehen, wobei nur die Betriebskalibrierung spezifisch für das jeweilige Hitzdrahtanemometer 10 ist und die Basiskalibrierung grundsätzlich für verschiedenste Hitzdrahtanemometer 10 verwendbar ist.

Im Folgenden wird zunächst die Basiskalibrierung beschrieben. Dazu ist vorgesehen, dass ein grundsätzlich beliebiges Hitzdrahtanemometer 10 nacheinander mit einer Mehrzahl von hinsichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannten Medien und durch jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten m beaufschlagt wird. Darüber hinaus wird für jedes Medium und jede Strömungsgeschwindigkeit m der Hitzdraht 12 entsprechend einer

vorgegebenen oder vorgebbaren Aufheizkurve (nicht dargestellt) aufgeheizt und eine zugehörige elektrische Impedanz Z el (s) aus dem Speisestrom I(s) und der über dem Hitzdraht 12 abfallenden Spannung U(s) bestimmt. Die Aufheizkurve kann da- bei im Speicher 26 hinterlegt sein und wird durch entsprechende Variation des Speisestroms I(s) durch den Leistungsteil 22 unter Kontrolle des Prozessors 24 „abgefahren". Anhand der sich für die Mehrzahl der Medien, Strömungsgeschwindigkeiten m und der Messwerte für die elektrische Impedanz Z el (s) ergebenden Parameter lässt sich ein ausreichend bestimmtes Gleichungssystem aufstellen, anhand dessen eine Ko- effizientenmatrix A ermittelbar ist.

U m

Z = 7 = φ 2 (a - m + p - x) = [a b] = A -ξ [ 1 ]

[Ia]

[Ib]

In Gleichung [1] bezeichnet Z die elektrische Impedanz Z d (s) , U die über dem Hitzdraht 12 abfallende Spannung U(s) und / den Speisestrom I(s) . Die durch Einführung der komplexen Frequenz s berücksichtigte Dynamik dieser und weiterer Größen ist in Gleichung [1] aus Gründen der übersichtlichkeit weggelassen worden. Weiter bezeichnet in Gleichung [1] m die (frequenzunabhängige) Strömungsgeschwindigkeit und x die

Stoffeigenschaften X(^) = [X 0 (J 1 ) •• JC j .(,s)] r , wobei m und x Elemente von ξ sind (Anmerkung: fett gedruckte Formelzeichen bezeichnen Vektoren oder Matrizen), a und ß sind (zunächst unbekannte) Koeffizienten, die den Einfluss der Strömungsge- schwindigkeit m und der Stoffeigenschaften x(s) auf die e- lektrische Impedanz Z el (s) beschreiben, φ beschreibt schließlich als φ{s) eine (zunächst unbekannte) Beziehung zwischen einer wirkenden thermischen Impedanz Z ιherm (s) = Z ιherm (rh,x(s)) und der messtechnisch bestimmten elektrischen Impedanz Z el (s) . Diese Beziehung modelliert ausschließlich die Eigenschaften des Hitzdrahtes 12 und ist demnach unabhängig vom jeweiligen Medium.

Ausmultipliziert ergibt sich aus dem mit [Ia] bezeichneten Teil der Gleichung [1] der mit [Ib] bezeichnete Teil, wobei

die Größen als Matrizen geschrieben sind. Die damit ausgedrückte Mehrdimensionalität der jeweiligen Größen ergibt sich z.B. aufgrund der Tatsache, dass für die Basiskalibrierung - wie oben beschrieben - nacheinander eine Mehrzahl von hin- sichtlich ihrer Stoffeigenschaften x(s) bekannter Medien und jedes Medium mit einer Mehrzahl von vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeiten rh verwendet wird. Unter dieser Voraussetzung wird aus dem Zeilenvektor [a b] eine im Folgenden als Koeffizientenmatrix A bezeichnete Matrix. Die- se beinhaltet die zur Beschreibung des Einflusses der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten rh und Stoffeigenschaften x(s) verwendeten Koeffizienten a bzw. ß .

Mit Hilfe einer Referenzmenge, S = [^ 0 ••• ξ N ] , die einen spezi- fizierten Wertebereich sowohl für den Massefluss rh als auch für die Stoffeigenschaften x(s) abdeckt, sowie der jeweiligen gemessenen elektrischen Impedanz Z = [Z 0 ••• Z N \ können die Koeffizienten der Matrix A als

A = Z(ξ T ξ)- 1 ξ T [2] geschätzt werden.

Neben den durch Gleichung [2] repräsentierten Ordinary Least Squares (OLS) kommen alternativ Principle Component Regression (PCR) sowie Partial Least Squares (PLS) als adäquate Schätzer in Frage. Die jeweilige Wahl richtet sich nach der numerischen Gestaltung von ξ (Rang, Ausprägung der Eigenwerte, etc.). Da das durch Gleichung [1] aufgestellte Modell die Eigenschaften von Sensor (Hitzdraht 12) und Medium trennt, können die Modellkoeffizienten, also die Koeffizienten der Matrix A, bei bekanntem φ(s) innerhalb einer einmal durchzuführenden Kalibrierung - der Basiskalibrierung - mit einer großen Anzahl von Stützstellen sehr genau bestimmt werden. Diese Kalibrierung besitzt anschließend Gültigkeit für alle anderen Hitzdrahtanemometer.

Fertigungsbedingte Varianzen werden durch individuell - im Rahmen einer Betriebskalibrierung - bestimmte φ(s) aufgefan-

gen. Wobei für jede Messvorrichtung jeweils ein φ(s) bestimmt wird. Dazu wird die Messvorrichtung mit einem Referenzmedium, also einem Medium mit bekannten Stoffeigenschaften x(s) , mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit m beaufschlagt. Hierbei ist es von Bedeutung, dass sowohl m als auch x(s) dem Wert nach mindestens einem Element der für die Basiskalibrierung verwendeten Matrix ξ entspricht (die Betriebskalibrierung kann auch für mehrere Elemente von ξ, mindestens aber für ein Element von ξ durchgeführt werden) . Dadurch ist sichergestellt, dass die gemessene änderung in der elektrischen Impedanz, Z, im laufenden Betrieb gegenüber der gemessenen elektrischen Impedanz, Z ref , bei der Basiskalibrierung ausschließlich auf ein verändertes übertragungsverhalten der Vorrichtung (Anemometer) zurückzuführen ist, da beide Messungen bei gleichem Massefluss und gleichen Stoffeigenschaften durchgeführt wurden. Die änderung des übertragungsverhaltens äußert sich in einem übertragungsfaktor φ{s) vorliegend bei Betriebskalibrierung gegenüber einem übertragungsfaktor φ ref (s) bei Basiskalibrierung. Da eine relative änderung von φ erfasst werden soll, kann per Definition φ ref (s)=l gesetzt werden. Da der Term (αr-zw + ß-x) aus der Gleichung [1] sowohl für die Basiskalibrierung als auch für die Betriebskalibrierung gleich ist (gleicher definierter Massefluss, gleicher definierter Stoff) , ergibt sich der vorrich- tungsspezifische übertragungsfaktor und damit das Ergebnis der Betriebskalibrierung entsprechend Gleichung [3] .

Im laufenden Betrieb lässt sich aus den bekannten Koeffizienten der geschätzten Koeffizientenmatrix A und bekanntem ü- bertragungsfaktor φ(s) schließlich aus dem linken Teil von Gleichung [1] auch eine Beziehung zur Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit m ableiten:

m = * [ 4 ] a

Gleichung [4] gilt für beliebige Stoffe, insoweit die Stoffeigenschaften x(s) in dem durch A abgedeckten Bereich der Basiskalibrierung liegen (Interpolation) . Daraus erschließt sich der Vorteil dieses Verfahrens, da eine Rekalibrierung in diesem Fall nicht erforderlich wird.

Anhand von Gleichung [4] lässt sich also mit einer Messvorrichtung der eingangs bezeichneten Art, wenn dieser die ge- schätzte Koeffizientenmatrix A eingeprägt ist, also z.B. indem sie in dem Speicher 26 hinterlegt ist, und wenn im Wege einer Betriebskalibrierung mit einem Referenzmedium der übertragungsfaktor φ{s) bestimmt ist, für grundsätzlich beliebige Medien, sofern deren Eigenschaften von den bei der Ermittlung der Koeffizientenmatrix A zugrunde gelegten Stoffeigenschaf- ten x(s) umfasst sind, die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit und/oder der jeweilige Massefluss berechnen.

Aufbauend auf dem Ansatz gemäß der Erfindung ist eine verbes- serte Masseflussmessung, d.h. ein Verfahren und eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Vorrichtung, möglich. Dazu war in FIG 2 schematisch vereinfacht das Steuergerät 20 mit Prozessor 24 und Speicher 26 gezeigt. Die Funktionalität der Vorrichtung ergibt sich aufgrund einer Softwareimplementation des beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung oder einer bevorzugten Ausführungsform, die in dem Speicher 26 vorgehalten sein kann. Durch Zugriff auf den Speicher 26 und die dort hinterlegte Softwareimplementation des Verfahrens führt das Steuergerät 20 mittels des Prozessors 24 das Verfahren aus.

Damit lässt sich die vorliegende Erfindung insgesamt kurz wie folgt beschreiben: Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, wobei eine vorrichtungsunab- hängige Basiskalibrierung vorgenommen wird, mit der Koeffizienten ermittelt werden, die einen Einfluss von Größen, mit

denen die Vorrichtung während der Messung beaufschlagt wird, etwa Eigenschaften des strömenden Mediums und Strömungsgeschwindigkeit, abbildet und wobei zum Betrieb der Vorrichtung eine vorrichtungsspezifische Betriebskalibrierung vorgenommen wird, mit der ein vorrichtungsspezifischer übertragungsfaktor ermittelt wird, wobei im Betrieb der Vorrichtung aufgrund der Bekanntheit der vorrichtungsunabhängigen Koeffizienten und des vorrichtungsspezifischen übertragungsfaktors keine weitere Kalibrierung, auch nicht bei änderungen des Mediums, er- forderlich sind.