Luchsinger, Rolf (Blindenholzstrasse 25, Uster, CH-8610, CH)
Kramer, Beat (Bühlweg 14B, Windisch, CH-5210, CH)
Sabbattini, Bruno (Zentralstr. 98, Wettingen, CH-5430, CH)
Matter, Daniel (Rebmoosweg 29a, Brugg, CH-5200, CH)
Luchsinger, Rolf (Blindenholzstrasse 25, Uster, CH-8610, CH)
Kramer, Beat (Bühlweg 14B, Windisch, CH-5210, CH)
Sabbattini, Bruno (Zentralstr. 98, Wettingen, CH-5430, CH)
| 1. | Verfahren zum Messen eines Gasverbrauchs mittels eines Gaszählers (1), insbesondere zum Messen eines ver rechenbaren Gasenergiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei vom Gaszähler (1) mit Hilfe eines thermischen Durchflusssensors (la) zu einer Durchflussrate proportionale Sensorsignale (S) bestimmt werden und die Sensorsignale (S) aufgrund ei ner Kalibration des Gaszählers (1) als Energiemess gerät als Energiewertsignale (SE) ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) vom Gaszähler (1) eine. Gasart insoweit bestimmt wird, dass ein nicht brennbares Gasgemisch (3) von einem brennbaren Gasgemisch (3) unterschieden wird und b) der Gaszähler (1) bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches (3) mit einer Kalibration in Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches (3) mit einer Kalibration in Energieeinheiten (kWh) be trieben wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) mit Hilfe eines, thermischen Gasqualitätssensors (la) mindestens ein gasartabhängiger Parameter (9L, c, a,) des Gasgemisches (3), insbesondere ein Wärmekoeffizient (k, c, oc) wie z. B. eine Wärme leitfähigkeit (X) und/oder Wärmekapazität (c), be stimmt wird und b) durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters (S, c, a. T)) für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch (3) als brennbar oder nicht brennbar identifiziert wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) und der Gas qualitätssensor (la) einen identischen Sensoraufbau haben, wobei das Gasgemisch (3) über einen ersten Temperatursensor (5a), ein Heizelement (6) und ei nen zweiten Temperatursensor (5b) geführt wird und b) aus einer Differenz von Temperatursignalen der Tem peratursensoren (5a, 5b) ein Massenflusssignal (SM) und aus einer Summe der Temperatursignale (Tl+T2) oder aus dem Temperatursignal des ersten Tempera tursensors (5a) alleine ein gasartabhängiger Wärme koeffizient (k, c, a) bestimmt wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass a) eine gemessene Wärmeleitfähigkeit (X) auf Überein stimmung mit einem Wärmeleitfähigkeitswert entspre chend einem Absolutwert von 0,026 W/mK für Stick stoff, Sauerstoff oder Luft, insbesondere 0,0260 W/mK für Stickstoff, 0.0263 W/mK für Sauerstoff oder 0,0261 W/mK für Luft, oder 0,0168 W/mK für Kohlendioxid getestet wird, wobei eine vorgebbare Toleranz von 10%, bevorzugt 5% und besonders be vorzugt 2% berücksichtigt wird, b) bei Übereinstimmung das Gasgemisch (3) als nicht brennbar kategorisiert wird und eine Signalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) kalibrierten Skala (8b) betrieben wird und c) bei Nichtübereinstimmung das Gasgemisch (3) als brennbar kategorisiert wird und eine Signalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Energieeinhei ten (kWh) kalibrierten Skala (8a) betrieben wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass a) eine gemessene Wärmekapazität (c) mit einem Schwell wert entsprechend einem Absolutwert von 1300 J/kgK verglichen wird, wobei eine vorgebbare Toleranz von +10%, bevorzugt +5% und besonders bevorzugt 2% be rücksichtigt wird, b) bei Unterschreiten des Schwellwerts das Gasgemisch (3) als nicht brennbar kategorisiert wird und eine Signalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) kalib rierten Skala (8b) betrieben wird und c) bei Überschreiten des Schwellwerts das Gasgemisch (3) als brennbar kategorisiert wird und eine Sig nalausgabe (8) des Gaszählers (1) mit einer in Energieeinheiten (kWh) kalibrierten Skala (8a) be trieben wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass a) periodisch geprüft wird, ob der Gaszähler (1) mit einem brennbaren Gas (3), insbesondere Erdgas, oder mit einem nicht brennbaren Gas (3), insbesondere Stickstoff oder Luft, in Kontakt steht und/oder b) Messintervalle zur Bestimmung von Sensorsignalen (S) bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gas gemisches (3) gross, insbesondere 1 Minute oder länger, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gas gemisches (3) klein, insbesondere 10 Sekunden oder kürzer, gewählt werden. |
| 7. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass ein konsumierter Gas energiebezug im Gaszähler (1) aufintegriert wird und bei einer Umschaltung der Kalibration auf Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) zwischengespeichert und bei Rückumschaltung auf Energieeinheiten (kWh) als Startwert verwendet wird. |
| 8. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate (SM) in Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) im Gaszähler (1) aufintegriert wird und a) die Durchflussrate (SM) bei einer Umschaltung der Kalibration auf Energieeinheiten (kWh) weiter inkrementiert und insbesondere ausgegeben wird oder b) die aufintegrierte Durchflussrate zwischengespei chert und insbesondere ausgegeben wird und bei Rückumschaltung auf Massenoder Normvolumeneinhei ten (l/min) als Startwert verwendet wird oder als Startwert auf Null zurückgesetzt wird. |
| 9. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass a) mit Hilfe eines Indikators oder Displays (9) ange zeigt wird, ob der Gaszähler (1) mit Luft oder Erd gas oder einer Mischung von Luft und Erdgas in Kon takt steht und/oder b) durch eine DefaultEinstellung des Gaszählers (1) Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) angegeben werden und erst bei einem erstmaligen Kontakt mit Nutzgas, insbesondere Erdgas, Energieeinheiten (kWh) angegeben werden und/oder c) durch eine Erstinitialisierung des Gaszählers (1), insbesondere bei Montage, die Kalibration automa tisch von Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) oder Luft auf Energieeinheiten (kWh) oder Erdgas umgeschaltet wird und/oder d) bei Kontaktnahme mit Luft, Erdgas und wiederum Luft ein Manipulationsindikator (10) des Gaszählers (1) aktiviert wird. |
| 10. | Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass für die Kalibration des Gas zählers (1) als Energiemessgerät Sensorsignale (S) in Abhängigkeit der Durchflussrate eines Eichgases (3) be stimmt und in Form einer Sensoreichkurve (F (S)) im Gas zähler (1) gespeichert werden, wobei die Sensoreichkur ve (F (S)) mit einem SignalUmrechnungsfaktor (fN2cH) und mit einem Heizwertfaktor (Hcn) für ein Basis Gasgemisch (CH) korrigiert wird und das erhaltene Produkt einen Gasverbrauch in der Energieeinheit (kWh) oder ei ner Leistungseinheit angibt. |
| 11. | Gaszähler (1) zum Messen eines Gasverbrauchs. gemäss einem der vorangehenden Ansprüche. |
| 12. | Gaszähler (1) zum Messen eines Gasverbrauchs, insbeson dere eines verrechenbaren Gasenergiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei der Gas zähler (1) einen thermischen Durchflusssensor (la) auf weist und als Energiemessgerät in Energieeinheiten (kWh) kalibriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Gaszähler (1) zusätzlich als Massenflussmeter in Massenoder Normvolumeneinheiten (l/min) kali briert ist, b) der Gaszähler (1) einen Gasqualitätssensor (la) aufweist, der ein Diskriminationssignal, insbeson dere einen gasartabhängigen Parameter (, c, a. T)), zur Unterscheidung eines brennbaren Gasgemisches (3) von einem nicht brennbaren Gasgemisch (3) er zeugt, und c) der Gaszähler (1) aufgrund des Diskriminations signals zwischen einem Betrieb als Energiemessgerät oder als Massenflussmeter umschaltbar ist. |
| 13. | Gaszähler (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) und der Gas qualitätssensor (la) einen identischen Aufbau haben und/oder b) der thermische Durchflusssensor (la) und/oder der Gasqualitätssensor (la) CMOSAnemometer (la) mit einem Heizdraht (6) und stromaufwärts und strom abwärts angeordneten Temperatursensoren (5a, 5b) sind. |
| 14. | Gaszähler (1) nach einem der Ansprüche 1213, dadurch gekennzeichnet, dass a) der thermische Durchflusssensor (la) als Gasquali tätssensor (la) betreibbar ist, wenn eine gemessene Massenflussrate einen vorgebbaren Schwellwert un terschreitet oder b) der Gasqualitätssensor (la) in einem Bereich mit konstanter Durchflussrate, insbesondere mit weitge hend ruhendem Gas (3), angeordnet ist. |
| 15. | Gaszähler (1) nach einem der Ansprüche 1214, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Gaszähler (1) einen Indikator oder ein Display (9) für Gasqualität, insbesondere für Vorhanden seins von Eichgas (3) oder Nutzgas (3), vorzugswei se von Luft, Erdgas oder LuftErdgasgemisch, auf weist und/oder b) der Gaszähler (1) einen Manipulationsindikator (10) aufweist, der bei wechselnder Kontaktnahme mit ei nem nicht brennbaren Gas (3), insbesondere Eichgas (3), einem brennbaren Gas oder Nutzgas (3) und wie derum einem nicht brennbaren Gas (3), insbesondere einem Umgebungsgas (3), aktivierbar ist und/oder c) der Gaszähler (1) eine Messund Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung von Energieverbrauchswerten (SE) und/oder Massendurchflusswerten (SM) aufweist und/oder d) der Gaszähler (1) separate Datenspeicher (7b, 7c) zur Speicherung von Energieverbrauchswerten (SE) und von Massendurchflusswerten oder Normvolumen flusswerten (SM) aufweist. |
STAND DER TECHNIK In der WO 01/96819 A1 wird ein Gaszähler offenbart, der als Energiemessgerät geeicht ist. Die Eichung beruht dar- auf, dass Sensorsignalwerte in Abhängigkeit der Durch- flussrate eines Eichgases oder Kalibriergases bestimmt und in Form einer Sensoreichkurve oder Sensorkalibrierkurve im Gaszähler gespeichert werden. Die Sensoreichkurve bezie- hungsweise die Sensorsignalwerte werden mit einem Signal- Umrechnungsfaktor und einem Brennwertfaktor für das Basis- Gasgemisch multipliziert, so dass das erhaltene Produkt einen Gasverbrauch in einer Leistungseinheit und nach In- tegration in einer Energieeinheit angibt. Mit einem weite- ren Korrekturfaktor kann wenigstens näherungsweise der tatsächliche Heizwert eines bezogenen Gasgemisches in der Energieeichung berücksichtigt werden. Als tatsächlicher Heizwert kann ein gemessener, über eine bestimmte Zeit- spanne gemittelter Heizwert verwendet werden. Nachteilig ist, dass eine externe Einheit zur Bestimmung des Heiz- werts erforderlich ist.
In der EP 0 373 965 werden ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Bestimmung eines Gas-oder Energieverbrauchs aus einem korrigierten Massenflusssignal offenbart. Bei der
Signalkorrektur werden die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte des Gases berücksichtigt. Das korrigierte Massenflusssignal und damit der Gas-oder Energieverbrauch sind unabhängig von der Gasart und insbe- sondere identisch für Luft, Argon, Helium, Kohlendioxid, Methan und Propan. Nachteilig ist, dass ein solcherart normiertes Massenflusssignal insensitiv für den Heizwert eines Gases oder Gasgemisches ist, da brennbare Gase mit unterschiedlichem Heizwert (z. B. Methan oder Propan) gleiche Massenflusssignale und sogar gleiche Signale wie unbrennbare Gase (z. B. Helium, Argon, Kohlendioxid oder Luft) ergeben.
In dem U. S. Pat. No. 5'311'447 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbrennungslosen Bestimmung des spe- zifischen Heizwerts von Erdgas offenbart. Hierzu werden mit empirischen Formeln spezifischer Heizwert, Dichte oder Anteil inerter Gase aus gemessenen Werten von Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, optischer Absorption usw. bestimmt. Nachteilig ist der grosse Mess-und Rechen- aufwand bei der quantitativen Messung mehrerer unabhängi- ger gasartabhängiger Grössen und bei deren Zusammenführung mit einer Volumenflussmessung in einem Gaszähler zur Bestimmung einer konsumierten Energiemenge.
In der WO 01/18500 wird eine verbesserte Massenflussmes- sung mit zwei thermischen CMOS-Anemometern offenbart. Am ruhenden Gas werden bei konstanter Heizleistung eine Wär- meleitfähgikeit und bei gepulste Heizleistung eine Wärme- kapazität gemessen, das Gas identifiziert und aus dessen spezifischen Heizwert zusammen mit der Massenflussmessung der totale Brennwert des Gases bestimmt. Nachteilig ist wiederum der relativ grosse Aufwand bei der Bestimmung der konsumierten Energiemenge aus separaten Werten von Massen- fluss und spezifischem Heizwert. Zudem muss der spezifi- sche Heizwert für eine hinreichend genaue Bestimmung des Energiebezugs kontinuierlich und mit grosser Genauigkeit gemessen werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Durchflussrate anzugeben, wobei eine verbesserte Eichbarkeit erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merk- male der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In einem ersten Aspekt besteht die Erfindung in einem Ver- fahren zum Messen eines Gasverbrauchs mittels eines Gas- zählers, insbesondere zum Messen eines verrechenbaren Gas- energiebezugs im privaten, öffentlichen oder industriellen Bereich, wobei vom Gaszähler mit Hilfe eines thermischen Durchflusssensors zu einer Durchflussrate im wesentlichen proportionale Sensorsignalwerte-bestimmt werden und die Sensorsignalwerte aufgrund einer Kalibration des Gaszäh- lers als Energiemessgerät als Energiewerte ausgegeben wer- den, wobei vom Gaszähler eine Gasart insoweit bestimmt wird, dass ein nicht brennbares Gasgemisch von einem brennbaren Gasgemisch unterschieden wird und der Gaszähler bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches mit einer Kalibration in Massen-oder Normvolumeneinheiten und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches mit einer Kalibration in Energieeinheiten betrieben wird. Der Be- trieb als Energiemessgerät umfasst auch Kalibration und Betrieb als Leistungsmessgerät mit Ausgabe von Leistungs- werten. Das erfindungsgemässe Verfahren und Gasmeter bringt diverse Vorteile. Die Zuverlässigkeit der Energie- messung wird deutlich erhöht, da mit geringem Aufwand beim durchströmenden Gas streng unterschieden wird zwischen hochwertigem Nutzgas und nicht brennbarem Gas. Insbesonde- re wird automatisch zwischen einem nicht brennbaren Eich- gas, typischerweise Stickstoff oder Luft, und einem Basis- Gasgemisch oder zu messenden Gas unterschieden und eine automatische Umschaltung von einer Massen-oder Volumen- skala auf eine Energieskala durchgeführt. Die gleiche Un- terscheidung wird auch bei einer Ausserbetriebnahme, Inbe- triebnahme, bei Manipulation am Gaszähler oder aus anderem
Grund wirksam, so dass Verfälschungen der Energiemessung durch Kontakt mit Luft o. ä. ausgeschlossen sind. Der Be- trieb mit einer Kalibration in Massen-, Volumen-oder Energieeinheiten beinhaltet insbesondere eine Signalausga- be und/oder Signalanzeige in diesen Einheiten.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe eines thermischen Gasqualitätssensors mindestens ein gasart- abhängiger Parameter des Gasgemisches, insbesondere ein Wärmekoeffizient wie z. B. eine Wärmeleitfähigkeit X und/oder Wärmekapazität c oder eine Viskosität 8, bestimmt und durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch als brennbar oder nicht brennbar identifiziert. Es genügt also eine ungefähre Kenntnis der Art. oder Zusammensetzung des Gases, damit eine digitale Entscheidung brenn- bar/unbrennbar getroffen und die entsprechende Kalibrie- rung aktiviert werden kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 3 hat den Vorteil einer besonders einfachen Sensorkonfiguration und Signal- auswertung. Eine Summenbildung der Temperatursignale be- wirkt, dass das Signal zur Bestimmung eines gasartspezifi- schen Parameters oder Wärmekoeffizienten unabhängig von der Flussrichtung und von möglichen Asymmetrien der Anord- nung der Temperatursensoren ist. Es wird auch ein grösse- res Signal erzielt als bei Verwendung des stromaufwärts gelegenen Temperatursensors alleine.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 4 und 5 haben den Vorteil, dass eine einfache Rechenvorschrift genügt, um das anwesende Gas oder Gasgemisch mit hoher Zuverlässig- keit als brennbar und damit für einen verrechenbaren Ener- giebezug geeignet oder als nicht brennbar und damit als nicht verrechenbaren Massenfluss zu kategorisieren.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 6 haben den Vor- teil, dass der Strombedarf des Gaszählers ohne Verlust an Messgenauigkeit wirkungsvoll gesenkt werden kann.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 7 hat den Vorteil, dass der gesamte Gasenergieverbrauch oder Energiebezug auch dann korrekt bestimmt werden kann, wenn Umschaltungen zwischen der Kalibration in Energieeinheiten und anderen Durchflusseinheiten wie Masse oder Volumen durchgeführt wurden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 8 hat den Vorteil, dass die Durchflussmessung in Massen-oder Normvolumen- einheiten wahlweise ununterbrochen fortgeführt wird, z. B. um einen Gesamtvolumenfluss zu bestimmen, oder nur bei Fluss unbrennbarer Gase aufintegriert wird, z. B. um bei geschlossenem Gaskreislauf eine komplementäre Kontroll- grösse für den Bezug brennbarer Gase zu generieren, oder nach jeder Umschaltung der Kalibration neu initialisiert wird, um Unterbrüche beim Energiebezug zu dokumentieren.
Ausführungsbeispiele gemäss Anspruch 9 haben insbesondere den Vorteil, dass Manipulationsversuche am Gaszähler ein- fach erkennbar sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Anspruch 10 hat den Vor- teil, dass eine automatische Heizwertnachführung auch ohne irgendeine externe oder interne Bestimmung des aktuellen spezifischen Heizwerts des Gases oder Gasgemisches durch- geführt wird.
In einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in einem Gas- zähler mit einem thermischen Massenflusssensor zum Ermit- teln eines Gasenergiebezugs gemäss dem zuvor beschriebenen Verfahren. Der Gaszähler umfasst einen thermischen Durch- flusssensor, ist als Energiemessgerät in Energieeinheiten und zusätzlich als Massenflussmeter in Massen-oder Normvo- lumeneinheiten kalibriert, weist einen Gasqualitätssensor auf, der ein Diskriminationssignal, insbesondere einen gas- artabhängigen Parameter oder Wärmekoeffizienten, zur Unter- scheidung eines brennbaren Gasgemisches von einem nicht brennbaren Gasgemisch erzeugt, und ist aufgrund des Diskri- minationssignals zwischen einem Betrieb als Energiemessge- rät oder als Massenflussmeter umschaltbar. Der Gaszähler
ist also für Eichzwecke, bei Lagerung oder bei Ausserbe- triebnahme als Massenflussmeter oder, mit zusätzlicher Dichtemessung, als Volumenflussmeter kalibriert und für Mess-oder Verrechnungszwecke als Energiemeter. Im Betrieb findet keine Verrechnung statt, wenn Luft detektiert wird.
Stattdessen kann eine Durchflussmessung in Masse oder Volu- men durchgeführt werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäss Ansprüchen 12-15 ermögli- chen einen besonders einfachen Aufbau und Betrieb des Gas- zählers. Insbesondere sind Manipulationsversuche am Gas- zähler im Betrieb erkennbar, wenn eine wiederkehrende Kon- taktnahme mit Luft detektiert wird.
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfin- dung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung und den Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG Es zeigen : Fig. 1 im Querschnitt ein durchströmtes Rohr mit einem thermischen Durchflusssensor, der Bestandteil ei- nes Gaszählers mit erfindungsgemäss dualer Kali- brierung als Energie-und Mengenzähler ist ; Fig. 2 Temperatursummensignale zur Bestimmung gas- spezifischer Wärmeübergangskoeffizienten ; Fig. 3 eine Kalibrationskurve für den Übergang zwischen Eichgas und Basis-Gasgemisch (Nutzgas) ; und Fig. 4 eine Tabelle mit Gasparametern für Erdgas.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugs- zeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG Fig. 1 zeigt einen Gaszähler 1 umfassend einen thermischen Durchfluss-oder Massenflusssensor la, lb, 7, der ein in einem Strömungskanal oder Rohr 2 angeordnetes Sensor-
element la, eine Membran lb und eine Mess-und Auswerte- einheit 7 umfasst. Im Rohr 2 strömt ein Gas 3 mit einem Strömungs-oder Geschwindigkeitsprofil 4. Das Sensorele- ment la ist einer zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v ausgesetzt. Der Durchflusssensor 1 umfasst ein Heizelement 6, stromaufwärts einen ersten Temperatursensor 5a und stromabwärts einen zweiten Temperatursensor 5b. Aus Tempe- ratursignalen T1, T2 der Temperatursensoren 5a, 5b kann be- kanntermassen ein Massenfluss-oder Normvolumenflusssignal SM bestimmt werden. Die prinzipielle Funktionsweise beruht darauf, dass eine vom Heizelement 6 erzeugte Temperatur- verteilung durch die Strömung 4 asymmetrisch wird und ein Temperaturunterschied Ti-Ts an den Temperatursensoren 5a, 5b als Mass für die Strömungsgeschwindigkeit v oder den Massenfluss dm/dT verwendet wird. In guter Näherung gilt Massenflusssignal SM proportional zu Temperaturdifferenz Ti-Tz. Im vorliegenden Fall werden zudem durch die Messmit- tel 7 aus den Massenflusssignalen SM oder allgemein Sensor- signalen S des Durchflusssensors la aufgrund einer Ka- libration des Gaszählers 1 als Energiemessgerät Energie- wertsignale SE bestimmt und ausgegeben. Die Kalibration als Energiemessgerät ist in der WO 01/96819 AI offenbart, de- ren Inhalt hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Ebenso seien die darin zitierten drei Artikel zum CMOS-Anemometer von J. Robadey sowie F. Mayer et al. durch Bezugnahme hier aufgenommen. Das dort beschriebene CMOS-Anemometer ist besonders geeignet als Sensorelement la des Durchflusssen- sors.
Erfindungsgemäss wird nun vom Gaszähler 1 eine Gasart in- soweit bestimmt, dass ein nicht brennbares Gasgemisch 3 von einem brennbaren Gasgemisch 3 unterschieden wird und der Gaszähler 1 bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches 3 mit einer Kalibration in Massen-oder Norm- volumeneinheiten, z. B. 1/min, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches 3 mit einer Kalibration in Ener- gie-oder Leistungseinheiten, z. B. kWh, betrieben wird.
Für die Funktionsfähigkeit des Gaszählers 1 als Energie- und Massenflussmeter kann statt des Durchflusssensors la mit zwei Temperatursensoren 5a, 5b und insbesondere statt des CMOS-Anemometers la auch allgemein ein thermischer Durchflusssensor verwendet werden, bei welchem das Gas 3 über ein Sensorelement geführt wird, welches ein Heizmit- tel zur Temperaturänderung und ein Sensormittel zur Be- stimmung seiner Temperatur aufweist, wobei die flussabhän- gige Temperaturänderung wiederum ein Mass für den Massen- fluss ist. Alternativ kann der thermische Durchflusssensor la auch mit nur einem stromabwärts angeordneten Tempera- tursensor 5a betrieben werden. Generell kann der Massen- fluss dm/dt in Massen-oder Normvolumeneinheiten, z. B. in kg/min, angegeben werden oder mit Hilfe der Dichte p aus einem Volumenfluss dV/dT bestimmt werden gemäss dm/dt=p*dV/dT. Im Gaszähler 1 bedeutet eine Signalausgabe eine Signalanzeige und/oder Signalübertragung an eine Ab- lese-oder zentrale Auswerteeinheit (nicht dargestellt).
Gemäss der WO 01/96819 A1 wird mit einem Eichgas 3, typi- scherweise Stickstoff N2 oder Luft, ein Sensorsignal S ge- messen, das im wesentlichen proportional zur Normvolumen- Durchflussrate d (VN2, n) /dt des Eichgases 3 ist. Durch In- version von S (d (VN2, n)/dt wird eine Sensoreichkurve F (S) (Durchflussrate in Abhängigkeit des Sensorsignals S), vor- mals mit Fn (S (d (VN2nl)/dt bezeichnet, bestimmt und in der Auswerteeinheit 7 des Gaszählers 1 abgespeichert. Im Be- trieb wird dann das Sensorsignal S mit Hilfe der Sensor- eichkurve F (S) auf ein (unkorrigiertes) Massenflusssignal Sm kalibriert, welches proportional zu F (S) ist oder ein- fach Sm=F (S) ist. Die Kalibration der Durchflussrate kann also durch eine Sensoreichkurve F (S) für das Eichgas unter Normbedingungen ausgedrückt werden. Das Massenflussraten- signal Sm hängt noch von der Gassorte ab. Daher werden Ab- weichungen des Massenflussratensignals Sm von einem exak- ten Idealwert für ein Basis-Gasgemisch, typischerweise Erdgas oder allgemein ein Kohlenwasserstoffgemisch CH, durch einen Signal-Umrechnungsfaktor oder Sensorsignal-
Korrekturfaktor fN2-cH korrigiert (Fig. 3). Somit gilt SM=Sm*fN2-cH mit SM=korrigertes Massenflussratensignal.
Schliesslich wird ein Energiewertsignal SE durch Multipli- kation mit einem Heizwert Hcn (kalorimetrischer Wert pro Einheit der Durchflussgrösse, d. h. pro Standardvolumen oder pro Masse) des Basis-Gasgemisches und Integration be- stimmt : SE = |SM HcHdt = fN2-cz HCH'IF (S) dt- Ausgehend von dieser Energiekalibration für das Basis- Gasgemisch CH ist es nun jedoch nicht mehr notwendig, am Gasgemisch eine Messung des aktuellen Heizwerts des Gas- gemisches durchzuführen. Gemäss der WO 01/96819 AI erfolgt nämlich im thermischen Durchflusssensor la, insbesondere im CMOS-Anemometer-Durchflusssensor la, eine inhärente au- tomatische Heizwertnachführung bei Abweichungen des aktu- ellen Gasgemisches 3 vom Basis-Gasgemisch CH. Es genügt also, eine ungefähre Kenntnis über Art und/oder Zusammen- setzung des Gases 3 zu erlangen und eine digitale Ent- scheidung herbeizuführen, ob ein brennbares oder verre- chenbares Gas 3 bezogen wird oder aber nur ein Durchfluss eines nicht brennbaren oder zumindest nicht verrechenbaren Gasbezugs gemessen werden soll, wobei im ersten Fall ohne Heizwertmessung eine relativ zuverlässige, auf den aktuel- len Heizwert bezogene Energiemessung erfolgt.
Gemäss der WO 01/96819 A1 oder der unveröffentlichten EP- Anmeldung Nr. 01 810 546.0, hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen, können für die genannten Grössen S, F (S), fN2-cH und Heu und daraus ableitbare Grössen auch geeignete Zeitmittelwerte verwendet werden.
Bevorzugt wird mit Hilfe eines thermischen Gasqualitäts- sensors la mindestens ein gasartabhängiger Parameter ,, c, a (Diffusivität), q (Viskosität) des Gasgemisches 3, ins- besondere ein Wärmekoeffizient X, c, a wie z. B. eine Wär- meleitfähigkeit X und/oder eine Wärmekapazität c, bestimmt und durch Vergleich mit bekannten Werten des Parameters 1, c, a, n für bekannte Gase oder Gasgemische das Gasgemisch 3 als brennbar oder nicht brennbar identifiziert.
Im folgenden wird eine detailliertere Analyse zur Messung der Wärmeleitfähigkeit mit dem thermischen Durchflusssen- sor la gegeben. Das zu messende Gas 3 kann als weitgehend inkompressibel angenommen werden, da relative Dichte- änderungen Ap/p=1/2 (v/co) 2 mit v = Flussgeschwindigkeit und co = Schallgeschwindigkeit für typische Werte v = 3 m/s und co 300 m/s im Bereich von 10-4 liegen und somit vernach- lässigbar sind. Für inkompressible Gase 3, d. h. v « co, und unter Vernachlässigung viskoser Dissipation kann der Wärmetransport inklusive Konvektion aus der stationären Wärmeleitungsgleichung durch Hinzufügen eines konvektiven Terms hergeleitet werden. Für einen Strömungskanal 2 in x- Richtung ohne Wärmequelle im Gas 3 lautet die Wärme- leitungsgleichung mit erzwungener Konvektion mit T = T (x, y, z) das stationäre Temperaturfeld im Gas 3, X = Wärmeleitfähigkeit, v, = Flussgeschwindigkeit in x- Richtung, cp = Wärmekapazität und p = Dichte des Gases 3.
Für vernachlässigbare Konvektion vx = 0 kann die Wärme- leitfähigkeit X bestimmt werden, indem die stationäre Dif- fusionsgleichung integriert wird und die korrekten Randbedingungen für die Integrationskonstanten (Wärmestrom jw0, keine Wärmequelle im Gas 3) eingesetzt werden. Für nicht vernachlässigbare Konvektion vx > 0 kann aus Gleichung (G1) bei bekanntem vx die inverse thermische Diffusivität ot-1-cPp/, bestimmt werden.
Gleichung (G1) wurde mit einer finiten Elemente Berechnung für den Durchflusssensor la gemäss Fig. 1 in CMOS- Ausführung für typische Gasbestandteile von Erdgas (Propan C3H8, Äthan C2H6, Kohlendioxid CO2, Methan CH4, Stickstoff N2 und Helium He) unter Verwendung von deren bekannten Wärme-
koeffizienten 9L, cp, a gelöst. In Fig. 2 ist die resultie- rende Temperatursumme T1 + T2 für diese Erdgaskomponenten als Funktion der Flussgeschwindigkeit vx aufgetragen. Die Temperatursumme T1 + T2 für kleine vx (im ungefähren Be- reich 0... 20 ml/min, insbesondere 0... 5 ml/min) sind deutlich unterscheidbar, da die zugrundeliegenden Wärmeleitfähig- keiten X (s. Fig. 4) hinreichend unterschiedliche Werte haben. Es genügt also, am herkömmlichen thermischen Durch- flusssensor la einfach ein Summensignal der Temperatursen- soren 5a, 5b als Mass für eine Gasart und insbesondere als Diskriminationssignal zur Unterscheidung zwischen einem brennbaren und unbrennbaren oder nicht verrechenbaren Gas 3 zu verwenden. Auch aus dem Temperatursignal des ersten Temperatursensors 5a alleine-und sogar aus dem weniger variierenden Temperatursignal des zweiten Temperatursen- sors 5b alleine-kann ein gasartabhängiger Wärmekoeffi- zient X, c, (x bestimmt werden. Insbesondere kann aufgrund des Wärmetransports in Flussrichtung immer bestimmt wer- den, welcher Temperatursensor 5a, 5b der erste, d. h. stromaufwärts gelegene und welcher der zweite, d. h. stromabwärts gelegene ist. Auch für grössere Fluss- geschwindigkeiten vx » 0 sind die Temperaturkurven T1 + T2 oder T1 alleine (nicht dargestellt) gasartabhängig und un- terscheidbar, da die zugrundeliegenden Diffusivitätswerte a und/oder Wärmekapazitäten cp oder allgemein c unter- schiedlich sind. Gemäss der WO 01/18500 können auch, wie eingangs erwähnt, am ruhenden Gas bei konstanter Heizleis- tung die Wärmeleitfähigkeit X und separat davon bei ge- pulster Heizleistung die Wärmekapazität c oder c*p gemes- sen werden. Hierfür wird mindestens zeitweise das Heizmit- tel mit einer konstanten Heizleistung oder in Form von Heizpulsen betrieben und eine strömungsunabhängige Wärme- leitfähigkeit X oder Wärmekapazität c gemessen.
Fig. 4 zeigt eine Tabelle mit Wärmekoeffizienten ? L, Cp, (X und spezifischen Dichten p typischer Erdgasbestandteile Methan, Äthan, Propan, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlen- monoxid (brennbar) und Kohlendioxid, Stickstoff, Wasser
und Helium (unbrennbar). In einem bevorzugten Ausführungs- beispiel wird eine gemessene Wärmeleitfähigkeit X auf Übereinstimmung mit einem Wärmeleitfähigkeitswert entspre- chend einem Absolutwert von 0,026 W/mK für Stickstoff, Sauerstoff oder Luft, insbesondere 0,0260 W/mK für Stick- stoff, 0.0263 W/mK für Sauerstoff oder 0,0261 W/mK für Luft, oder 0,0168 W/mK für Kohlendioxid getestet, wobei eine vorgebbare Toleranz von 10%, bevorzugt +5% und be- sonders bevorzugt +2% berücksichtigt wird. Bei Überein- stimmung wird das Gasgemisch 3 als nicht brennbar katego- risiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit ei- ner in Massen-oder Normvolumeneinheiten, z. B. 1/min, ka- librierten Skala 8b betrieben. Bei Nichtübereinstimmung wird das Gasgemisch 3 als brennbar kategorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Energie- einheiten, z. B. kWh, kalibrierten Skala 8a betrieben.
Alternativ oder ergänzend wird eine gemessene Wärmekapa- zität c oder cp mit einem Schwellwert entsprechend einem Absolutwert von 1300 J/kgK verglichen, wobei eine vorgeb- bare Toleranz von 10%, bevorzugt 5% und besonders bevor- zugt 2% berücksichtigt wird. Bei Unterschreiten des Schwellwerts wird das Gasgemisch 3 als nicht brennbar ka- tegorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Massen-oder Normvolumeneinheiten kalibrierten Skala 8b betrieben. Bei Überschreiten des Schwellwerts wird das Gasgemisch 3 als brennbar kategorisiert und eine Signalausgabe 8 des Gaszählers 1 mit einer in Energie- einheiten kalibrierten Skala 8a betrieben.
Vorzugsweise wird periodisch geprüft, ob der Gaszähler 1 mit einem brennbaren Gas 3, insbesondere Erdgas, oder mit einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere Stickstoff oder Luft, in Kontakt steht. Mit Vorteil werden auch Messinter- valle zur Bestimmung von Sensorsignalen S ; Sm, SM, SE bei Vorhandensein eines nicht brennbaren Gasgemisches 3 gross, insbesondere 1 Minute oder länger, und bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches 3 klein, insbesondere 10 Se- kunden oder kürzer, gewählt.
Ein konsumierter Gasenergiebezug kann im Gaszähler 1 auf- integriert werden und bei einer Umschaltung der Kalibra- tion auf Massen-oder Normvolumeneinheiten zwischen- gespeichert und bei Rückumschaltung auf Energieeinheiten als Startwert verwendet werden. Andererseits kann die Durchflussrate SM bei einer Umschaltung der Kalibration auf Energieeinheiten weiter inkrementiert und insbesondere ausgegeben werden, oder die aufintegrierte Durchflussrate wird zwischengespeichert und insbesondere ausgegeben und bei Rückumschaltung auf Massen-oder Normvolumeneinheiten als Startwert verwendet oder als Startwert auf Null zu- rückgesetzt.
Mit Hilfe eines Indikators oder Displays 9 kann angezeigt werden, ob der Gaszähler 1 mit Luft oder Erdgas oder einer Mischung von Luft und Erdgas in Kontakt steht. Desweiteren können durch eine Default-Einstellung des Gaszählers 1 Massen-oder Normvolumeneinheiten angegeben werden und erst bei einem erstmaligen Kontakt mit Nutzgas, insbeson- dere Erdgas, Energieeinheiten angegeben werden. Auch kann durch eine Erstinitialisierung des Gaszählers 1, insbeson- dere bei Montage, die Kalibration automatisch von Massen- oder Normvolumeneinheiten oder Luft auf Energieeinheiten oder Erdgas umgeschaltet werden. Schliesslich kann bei Kontaktnahme mit Luft, Erdgas und wiederum Luft ein Mani- pulationsindikator 10 des Gaszählers 1 aktiviert werden.
Die Erfindung hat auch einen Gaszähler 1 zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens zum Gegenstand. Vorzugs- weise haben der thermische Durchflusssensor la und der Gasqualitätssensor la einen identischen Sensoraufbau und sind insbesondere identisch. Im Gaszähler 1 werden dann die Sensorsignalwerte S ; Sm, SM, SE und ein Wärmekoeffi- zient X, cp, a des Gasgemisches 3 im selben thermischen Sensor la gemessen, insbesondere in einem CMOS-Anemometer la mit einem Heizdraht 6 und mit mindestens einem strom- aufwärts angeordneten Temperatursensor 5a und optional zu- sätzlich mit mindestens einem stromabwärts angeordneten Temperatursensor 5b. Der thermische Durchflusssensor la
ist als Gasqualitätssensor la betreibbar, wenn eine gemes- sene Massenflussrate einen vorgebbaren Schwellwert unter- schreitet. Alternativ kann der Gasqualitätssensor la in einem Bereich mit konstanter Durchflussrate, insbesondere mit weitgehend ruhendem Gas 3, angeordnet sein.
Gemäss Fig. 1 umfasst der Gaszähler 1 : einen Indikator oder ein Display 9 für Gasqualität, insbesondere für Vor- handenseins von Eichgas 3 oder Nutzgas 3, vorzugsweise von Luft, Erdgas oder Luft-Erdgasgemisch ; einen Manipulations- indikator 10, der bei wechselnder Kontaktnahme mit einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere Eichgas 3, einem brennbaren Gas oder Nutzgas 3 und wiederum einem nicht brennbaren Gas 3, insbesondere einem Umgebungsgas 3, akti- vierbar ist ; eine Mess-und Auswerteeinheit 7 zur Bestim- mung von Energieverbrauchswerten (SE) und/oder Massendurch- flusswerten SM ; und vorzugsweise separate Datenspeicher 7b, 7c zur Speicherung von Energieverbrauchswerten SE und von Massendurchflusswerten oder Normvolumenflusswerten SM. Die Recheneinheit 7a umfasst auch einen Datenspeicher für be- kannte Wärmekoeffizienten X, cp, oc, Dichten p oder Viskosi- täten 11 bekannter Gase sowie Rechenmittel zum Vergleich von gemessenen mit gespeicherten oder aus Speicherwerten interpolierten Wärmekoeffizienten X, cp, a, Dichten p oder Viskositäten il sowie Rechenmittel zur Bestimmung des Gas- gemisches 3 als brennbar bzw. verrechenbar oder unbrennbar bzw. nicht verrechenbar.
BEZUGSZEICHENLISTE 1 Gaszähler la thermischer Massenflusssensor, CMOS-Sensor 1b Membran 2 Strömungskanal, Rohr 3 Gas ; Erdgas, Eichgas, Kalibriergas 4 Strömungsprofil 5a, 5b erster, zweiter Temperatursensor, Thermoelemente 6 Heizelement, Heizdraht 7 Mess-und Auswerteeinheit 7a Recheneinheit 7b Datenspeicher für Energieverbrauchswerte 7c Datenspeicher für Durchflusswerte 8 Signalausgabe, Display 8a Skala in Massen-/Normvolumeneinheiten kalibriert 8b Skala in Energieeinheiten kalibriert 9 Gasqualitätsindikator, Display 10 Manipulationsindikator, Display CH Erdgas, Basis-Gasgemisch fN2-cH Korrekturfaktor für Sensorsignal F (S) Sensoreichkurve Heu Heizwert, Brennwert Wärmeleitfähigkeit c, Cp spezifische Wärmekapazität p Dichte a Diffusivität Viskosität S Sensorsignal Sm Massenfluss (raten) signal für Eichgas oder Kali- briergas SM Massenfluss (raten) signal für Basis-Gasgemisch Sa Energiewertsignal T1, T2 Temperaturen v, Vx Flussgeschwindigkeit dV/dT Volumendurchflussrate