DE102023107126A1

DE102023107126A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Gassensors

Info

Publication number: DE102023107126A1
Application number: DE102023107126.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Schmäh; Fabian Kories
Original assignee: IAS GmbH
Current assignee: IAS GmbH
Priority date: 2023-03-21
Filing date: 2023-03-21
Publication date: 2024-09-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kalibrierung eines Gassensors (1) mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten, die mindestens zwei Massenflussregler (2, 3) mit einem variablem Durchfluss umfassen, wird jeder Massenflussregler (2, 3) von mindestens einer Gaskomponente durchströmt, wobei die Massenflussregler (2, 3) derart eingeregelt werden, dass der gleiche Gasfluss der jeweils angeschlossenen Gaskomponente fließt und anschließend werden die an die Massenflussregler (2, 3) angeschlossenen Gaskomponenten gegeneinander getauscht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung eines Gassensors mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Moderne Gassensoren weisen eine immer höhere Präzision auf. Für Gassensoren, welche auf einem Messprinzip beruhen, bei dem es keinen prinzipbedingten direkten Zusammenhang zwischen Messgröße und Gaskonzentration gibt, ist eine Kalibrierung mit einem Prüfgas erforderlich.
Gassensoren, die auf dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit beruhen und daher auch als Wärmeleitfähigkeits-Gassensoren bezeichnet werden, haben als Messgröße zum Beispiel einen elektrischen Strom. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem gemessenen Strom und der Wärmeleitfähigkeit, sowie zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Gaskonzentration. Um den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Strom und der Gaskonzentration zu ermitteln, ist eine Kalibrierung der Gassensoren mit einem Prüfgas notwendig, da die Wärmeleitfähigkeit eines binären Gasgemisches nur messtechnisch und nicht rechnerisch ermittelt werden kann.
Solche Wärmeleitfähigkeits-Gassensoren können Wärmeleitfähigkeiten und damit Gaskonzentrationen z.B. von binären H2-N2-Gasgemischen mit einer hohen Reproduzierbarkeit bzw. Präzision messen, d.h. ein und derselbe Gassensor zeigt bei gleicher Wärmeleitfähigkeit immer den gleichen Wert an, mit einer typischen Reproduzierbarkeit kleiner 0,05% vom Messwert (nachfolgend auch: v. M.). Die Genauigkeit eines solchen Gassensors wird jedoch durch die Kalibrierung bestimmt, da nur dadurch ein Zusammenhang zwischen der Messgröße und der Gaskonzentration hergestellt werden kann.
Zur Kalibrierung des Gassensors können Flaschenprüfgase oder Gasmischeinrichtungen eingesetzt werden, die beispielsweise aus der US 6 389 364 B1 bekannt sind. Diese Flaschenprüfgase oder Gasmischeinrichtungen weisen Genauigkeiten von typischerweise 1- 2% vom Messwert auf. Damit ist die Genauigkeit des damit kalibrierten Sensors auf diesen Wert begrenzt.
Kommerziell erhältliche Flaschenprüfgase zur Kalibrierung von Gassensoren sind insofern nachteilig, als sie teuer sind, lange Lieferzeiten haben und nur mit den genannten Genauigkeiten von typischerweise 1 - 2% v. M. erhältlich sind.
Gasmischeinrichtungen werden im Allgemeinen über eine Messung des tatsächlichen Gasflusses der gasflusssteuernden Komponenten durch externe Referenzgeräte für den Gasdurchfluss kalibriert. Der Gasdurchfluss kann dabei typischerweise mit einer Genauigkeit von 1 % v. M. kalibriert werden. Die erzielbaren Konzentrationen der Gasmischungen weisen folglich eine Genauigkeit von 1,5 - 2% v. M. auf. Solche Gasmischeinrichtungen, die gasflusssteuernde Komponenten für variablen Durchfluss verwenden, können mit unterschiedlichen Gasen betrieben werden, auch wenn sich Viskosität oder Wärmekapazität oder Dichte der verwendeten Gase unterscheiden.
Gasmischeinrichtungen, die über den Vergleich der Durchflüsse der gasflusssteuernden Komponenten für variablen Durchfluss kalibriert werden, erreichen Genauigkeiten von 0,5% v. M. wie beispielsweise die GB 2 333 614 A1 offenbart. Die vorgestellten Verfahren sind von der Reproduzierbarkeit der Gasdurchfluss-Messgeräte abhängig, die typischerweise bei 0,2% v. M liegt und damit eine deutlich schlechtere Reproduzierbarkeit als die vorgenannten Gassensoren aufweisen.
Gasmischeinrichtungen, die über den Vergleich der Durchflüsse der gasflusssteuernden Komponenten für konstanten Durchfluss kalibriert werden, erreichen Genauigkeiten von 0,1% v. M wie beispielsweise in der WO 2011/132 049 A1 beschrieben ist. Jedoch sind diese Verfahren aufgrund des konstanten Durchflusses für die Mischung von Gasen mit unterschiedlichen Viskositäten, wie H2 und N2, ungeeignet. Außerdem sind diese Verfahren von der Reproduzierbarkeit der Gasdurchfluss-Messgeräte abhängig, die typischerweise bei 0,2% v. M. liegt und damit eine deutlich schlechtere Reproduzierbarkeit als die vorgenannten Gassensoren aufweisen.
Nullgase enthalten im Rahmen der Erfindung insbesondere die zu messende Beimengung, also das Testgas in einer für die eingesetzten Messsysteme nicht nachweisbaren Konzentration. Nullgase dienen beispielsweise zur Einstellung des Nullpunktes bei Gasanalysatoren oder als von der Messkomponente freies Gas zur Spülung oder als Transportgas zur Beförderung der Gasprobe in/durch ein Analysensystem.
Üblicherweise werden hierfür eingesetzt:

• Stickstoff in den Reinheitsgraden 4.6, 5.0, CO-frei, ECD, 5.3, 5.6 und 6.0
• Synthetische Luft KW-frei (20 Vol.-% O2, Rest N2); CnHm < 0,1 vpm, NOx < 0,1 vpm
• Stickstoff und Synthetische Luft nach EPA-Spezifikation
• Wasserstoff in den Reinheitsgraden 3.8, 5.0, 5.3, 5.6 und 6.0
• Sauerstoff in den Reinheitsgraden KW-frei, 4.5, 5.0, 5.6 und 6.0
• Edelgase, u.a. Helium 4.6, 5.0, ECD, 5.3, 5.6, 6.0 und Argon 4.8, 5.0, 5.3, 5.6, 6.0

Testgas wird auch als Prüfgas oder Kalibriergas bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein Gasgemisch, das aus mehreren Molekülarten besteht und homogen gemischt ist, wobei an die Testgase bezüglich der Herstelltoleranz, Analysengenauigkeit und Reinheit der Ausgangsprodukte besondere Anforderungen gestellt werden. Verwendung finden sie vorwiegend bei der Kalibrierung von Messgeräten, wo Gasgemische genau definierter Zusammensetzung benötigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, um hochpräzise Gassensoren mit hoher Genauigkeit zu kalibrieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bei einem Verfahren zur Kalibrierung eines Gassensors mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten, die mindestens zwei Massenflussregler mit einem variablem Durchfluss umfassen, wobei jeder Massenflussregler von mindestens einer Gaskomponente durchströmt wird, werden die Massenflussregler derart eingeregelt, dass der gleiche Gasfluss der jeweils angeschlossenen Gaskomponente fließt und anschließend werden die an den Massenflussregler angeschlossenen Gaskomponenten gegeneinander getauscht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Gassensor, der mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten gekoppelt ist, die mindestens zwei Massenflussregler mit einem einstellbaren Durchfluss umfassen, wobei jeder Massenflussregler über ein Mehrwegeventil mit einem Vorrat mindestens einer Gaskomponente verbunden ist und eine mit dem Gassensor verbundenen Auswerteeinrichtung mit zugeordneter Anzeigeeinrichtung.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung mit dem hochpräzise Gassensoren mit hoher Genauigkeit kalibriert werden können. Dazu werden Gasflussregler mit variablem Durchfluss, z.B. Gas-Massenflussregler und hoch präzise Gassensoren verwendet. Das Verfahren beruht darauf, dass bereits der unkalibrierte Gassensor aufgrund seiner hohen Präzision gleiche Gaskonzentrationen präzise erkennen kann. Eine binäre Gasmischung mit einer Gaskonzentration von 50% der Gaskomponente Testgas im Gasgemisch der Gaskomponenten Testgas und Nullgas liegt dann vor, wenn über zwei Massenflussregler jeweils der gleiche Gasfluss der Gaskomponente Testgas und der Gaskomponente Nullgas fließt. Ist dies der Fall, so können die an den Eingängen der Massenflussregler angeschlossen Gase Testgas und Nullgas gegeneinander getauscht werden und man erhält die gleiche Gaskonzentration wieder. Der hochpräzise Gassensor kann vorzugsweise sehr genau erkennen, ob diese beiden Gaskonzentrationen gleich sind. Somit kann eine Einstellung gefunden werden, bei der die Gasdurchflüsse der beiden Massenflussregler gleich sind. In diesem Fall bleibt die mit dem Gassensor gemessene Konzentration konstant, wenn die Gase oder Gaskomponenten oder Gasgemische an den Massenflussreglern gegeneinander getauscht werden. Hierüber kann der Gassensor bei 50% Gaskonzentration kalibriert werden. Unter Verwendung von weiteren Massenflussreglern und Angleichung der Flüsse der Massenflussregler untereinander, wie oben beschrieben, kann der Gassensor bei weiteren Gaskonzentration kalibriert werden.
Die Vorrichtung zur Kalibrierung hochpräziser Gassensoren mit hoher Genauigkeit verwendet Massenflussregler mit variablem Durchfluss, z.B. Gas-Massenflussregler und die hohe Präzision des Gassensors. Die Vorrichtung umfasst die Gas-Massenflussregler und zugeordnete Ventile, die es erlauben die an den Massenflussreglern angeschlossen Gase, also die Gaskomponenten bzw. Gasgemische, umzuschalten. Das derart erzeugte Gasgemisch wird auf den Gassensor geführt. Durch Schalten der Ventile können bei konstanten Gasdurchflüssen zwei unterschiedliche Gaskonzentrationen erzeugt werden. Durch das Verändern der Gasdurchflüsse kann eine Einstellung gefunden werden, in der die beiden erzeugten Gaskonzentrationen gleich sind. In diesem Fall bleibt die mit dem Gassensor gemessene Gaskonzentrationen konstant, wenn die Gase an den Massenflussreglern gegeneinander getauscht werden und die beiden Gasdurchflüsse sind gleich, was einer Gaskonzentration von 50% entspricht. Der hochpräzise Gassensor kann insbesondere sehr genau erkennen, ob diese beiden Gaskonzentrationen gleich sind. Die Vorrichtung kann über weitere Massenflussregler und Ventile verfügen, um unter Angleichung der Flüsse der Massenflussregler wie oben beschrieben, weitere Gaskonzentrationen zur Kalibrierung des Gassensors zu erzeugen.
Die hier beschriebene Ausführungsform erlaubt es einen Gassensor durch Massenflussregler ohne die Verwendung eines Gasdurchfluss-Messgerätes zu kalibrieren. Hierbei kommt der Gassensor zum Einsatz zur Angleichung der Gasdurchflüsse von zwei Massenflussreglern, um den Kalibrierpunkt von 50% für denselben Gassensor zu erzeugen. Die Gasdurchflüsse sind gleich, wenn die mit dem Gassensor gemessene Konzentration konstant bleibt, während die an die Massenflussregler angeschlossenen Gase gegeneinander getauscht werden. Hierbei wird lediglich die hohe Präzision des Gassensors ausgenutzt, er muss dazu nicht kalibriert sein. Anschließend kann durch Aufgabe von reinem Nullgas der Nullpunkt, danach von reinem Testgas der Endpunkt und anschließend, der wie oben beschrieben gefundene 50%-Punkt aufgegeben werden. Damit ist die Kennlinie des Gassensors an drei Punkten mit der Präzision des Gassensors festgelegt.
Unter Verwendung eines zusätzlichen Massenflussreglers können die Kalibrierpunkte 33,3% (1/3) und 66,6% (2/3) mit derselben Präzision hinzugefügt werden: Wie oben beschrieben können in der hier beschriebenen Ausführungsformen die Gasdurchflüsse von zwei Massenflussreglern angeglichen werden. Für drei Massenflussregler MFC1, MFC2 und MFC3 kann also folgende Beziehung für die Gasflüsse Q_MFC1, Q_MFC2 und Q_MFC3 gefunden werden:

Q_MFC1 = Q_MFC2 (aus dem Angleich von MFC2 an MFC1) sowie
Q_MFC1 = Q_MFC3 (aus dem Angleich von MFC3 an MFC1).

Wird nun Testgas an MFC1 und Nullgas an MFC2 sowie MFC3 angeschlossen, so ergibt sich folgenden Testgas-Konzentration: $c = \frac{Q_{M F C 1}}{Q_{M F C 1} + Q_{M F C 2} + Q_{M F C 3}} = \frac{Q_{M F C 1}}{Q_{M F C 1} + Q_{M F C 1} + Q_{M F C 1}} = \frac{1}{3}$
Tauscht man die an den Massenflussreglern angeschlossen Gase nun gegeneinander, so dass Nullgas an MFC1 und Testgas an MFC2 sowie MFC3 angeschlossen ist, so ergibt sich folgende Testgas-Konzentration: $c = \frac{Q_{M F C 2} + Q_{M F C 3}}{Q_{M F C 1} + Q_{M F C 2} + Q_{M F C 3}} = \frac{Q_{M F C 1} + Q_{M F C 1}}{Q_{M F C 1} + Q_{M F C 1} + Q_{M F C 1}} = \frac{2}{3}$
Damit ist die Kennlinie des Gassensors an fünf Punkten mit der Präzision des Gassensors festgelegt.
Weitere Kalibrierpunkte können auf dieselbe Weise mit weiteren zusätzlichen Massenflussreglern erzeugt und die Kennlinie des Gassensors festgelegt werden, wie sich dem Fachmann in naheliegender Weise erschließt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung zur Kalibrierung eines Gassensors mit zwei Massenflussreglern,
2 den zeitlichen Verlauf eines Sensorsignals beim Tausch der an die Massenflussregler angeschlossenen Gase gegeneinander, wobei die Gasdurchflüsse der Massenflussregler mit dem Verfahren nach der Erfindung angeglichen sind,
3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung zur Kalibrierung eines Gassensors mit vier Massenflussreglern
4 eine Darstellung der Vorrichtung nach 3 mit einem Bypass vor dem Gassensor, um den Durchfluss durch den Gassensor konstant zu halten,
5 eine Darstellung der alternativ ausgestalteten Vorrichtung nach 4, bei der zwischen dem Bypass und dem Gassensor ein weiterer Massenflussregler angeordnet ist und
6 eine Darstellung der alternativ ausgestalteten Vorrichtung nach 1, bei der ein Bypass und ein Massenflussregler vor dem Gassensor angeordnet sind.

1 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform einer Vorrichtung, also einer Gasmischeinrichtung zur Kalibrierung eines Gassensors 1 mit jeweils einem als thermischer Gas-Massenflussregler ausgebildeten ersten Massenflussregler 2 und zweiten Massenflussregler 3, denen ein erstes Ventil 4 bzw. ein zweites Ventil 5 vorgeschaltet ist, an denen ein Testgaseingang 6 zur Einleitung von Testgas und ein Nullgaseingang 7 zur Einleitung von Nullgas anliegen. Mittels der beiden vorliegend als 3/2-Wege-Ventile ausgebildeten Ventile 4, 5 können Strömungswege derart verändert werden, dass die Massenflussregler 2, 3 wechselweise mit Testgas oder Nullgas durchströmt werden. Gasausgänge 8, 9 der Massenflussregler 2, 3 werden zusammengeführt, um das Gasgemisch durch den Gassensor 1 und in einen Abgasauslass 10 für Abgas zu führen.
Zur zuverlässigen Durchführung des Verfahrens muss der Gassensor 1 nicht kalibriert sein und keine hohe Genauigkeit aufweisen. Er muss nur sehr präzise sein, das heißt bei gleicher Gaskonzentration reproduzierbar den gleichen Wert anzeigen.
Das Verfahren für die Kalibrierung des Gassensors 1 läuft insbesondere wie folgt ab:

(1) Testgas wird am Testgaseingang 6 mit einem ausreichenden Vordruck, der der Fachmann in naheliegender Weise bestimmen kann, angeschlossen.
(2) Das erste Ventil 4 wird derart eingestellt, dass der erste Massenflussregler 2 mit Testgas versorgt wird.
(3) An dem Nullgaseingang 7 wird Nullgas mit einem ausreichenden Vordruck angeschlossen.
(4) Das zweite Ventil 5 wird derart eingestellt, dass der zweite Massenflussregler 3 mit Nullgas durchströmt wird.
(5) An dem ersten Massenflussregler 2 wird beispielsweise ein Sollwert von 0 Flusseinheiten und an dem zweiten Massenflussregler 3 ein Sollwert von zwei Flusseinheiten eingestellt, so dass der Gassensor 1 mit 100% Nullgas durchströmt wird.
(6) Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen ersten Wert NW.
(7) Der erste Massenflussregler 2 erhält einen Sollwert von z.B. 2 Flusseinheiten und der zweite Massenflussregler 3 einen Sollwert von 0 Flusseinheiten, so dass der Gassensor 1 mit 100% Testgas durchströmt wird.
(8) Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen zweiten Wert EW.
(9) An dem ersten Massenflussregler 2 wird ein Sollwert von z.B. einer Flusseinheit und an dem zweiten Massenflussregler 3 derselbe Sollwert, also beispielsweise ebenfalls eine Flusseinheit eingestellt, so dass der Gassensor 1 mit etwa 50% Testgas in dem Nullgas durchströmt wird.
(10) Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen Wert W5-1 (1. Ziffer = Testgasposition, 2. Ziffer = Zähler der Messung).
(11) Die beiden Ventile 4, 5 werden jeweils umgeschaltet, so dass nun der erste Massenflussregler 2 mit Nullgas und der zweite Massenflussregler 3 mit Testgas durchströmt wird.
(12) Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen Wert W6-1.
(13) Es wird die betragsmäßige Differenz zwischen dem Wert W5-1 und dem Wert W6-1 betrachtet.
(14) Die beiden Ventile 4, 5 werden jeweils umgeschaltet, so dass wieder der erste Massenflussregler 2 mit Testgas und der zweite Massenflussregler 3 mit Nullgas versorgt wird.
(15) Der Sollwert des ersten Massenflussreglers 2 wird leicht verändert, z. B. erhöht. Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen Wert W5-2.
(16) Die beiden Ventile 4, 5 werden jeweils umgeschaltet, so dass nun der erste Massenflussregler 2 mit Nullgas und der zweite Massenflussregler 3 mit Testgas durchströmt wird. Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen Wert W6-2.
(17) Die betragsmäßige Differenz zwischen den neuen Werten W5-2 und W6-2 wird mit der vormals erhaltenen betragsmäßigen Differenz zwischen W5-1 und W6-1 verglichen.
(18) Der Sollwert des ersten Massenflussreglers 2 wird so lange verändert, bis ein Minimum für die betragsmäßige Differenz zwischen den Werten W5-x und W6-x gefunden wurde.
(19) Die so gefundenen Sollwerte für die beiden Massenflussregler 2, 3 führen also zu gleich großen Flüssen und damit zu einer Testgas-Konzentration von 50%. Dies ist daran erkennbar, dass die mit dem Gassensor 1 gemessene Konzentration konstant bleibt, während die Gase an den Massenflussreglern 2, 3 gegeneinander getauscht werden (s. 2, in der ein Sensorsignal S über der Zeit t abgetragen ist). Der Mittelwert der Sensor-Anzeigen vor und nach dem Tausch der Gase an den Massenflussreglern 2, 3 wird als W50 bezeichnet.
(20) Aus den drei Werten NW, EW und W50 wird der Gassensor 1 an drei Punkten kalibriert.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Kalibrierung des Gassensors 1 die neben dem ersten Massenflussregler 2 und dem zweiten Massenflussregler 3 einen dritten Massenflussregler 11 und einen vierten Massenflussregler 12 mit jeweils zugeordnetem dritten Ventil 13 und vierten Ventil 14 umfasst.
Das oben beschriebene Verfahren lässt sich für diese Ausführungsform erweitern, indem zunächst die Schritte (1) bis (20) für den ersten Massenflussregler 2 und den zweiten Massenflussregler 3 durchgeführt werden. Anschließend werden die Schritte (11) bis (17) für den ersten Massenflussregler 5 und den dritten Massenflussregler 11 durchgeführt. Wie oben beschrieben können so Nullpunkt NW, Endpunkt EW, 50%-Punkt W50, 33,3%-Punkt W33,3 und 66,6%-Punkt W66,6 zur Kalibrierung des Gassensors 1 verwendet werden. Auf dieselbe Weise können über das Angleichen des vierten Massenflussreglers 12 und des ersten Masseflussreglers 2 Kalibrierpunkte bei 25% W25 und 75% W75 hinzugefügt und die Kennlinie des Gassensors 1 damit festgelegt werden.
Eine weitere Ausführungsform zeigt 6. Diese Vorrichtung hat zum Ziel, eine feinere Abstufung der Kalibrierpunkte zu erzeugen, z.B. in 10 %-Schritten. Dazu werden mit dem ersten Massenflussregler 2 und dem zweiten Masseflussregler 3 und unterschiedlichen Gasdurchflüssen entsprechend unterschiedliche Gaskonzentration erzeugt. Also z.B.

1. Testgas 10, Nullgas 90 Flusseinheiten: 10/90,
2. Testgas 20, Nullgas 80 Flusseinheiten: 20/80,
3. Testgas 30, Nullgas 70 Flusseinheiten: 30/70 usw.

Dabei werden als Gesamtfluss immer 100 Flusseinheiten erzeugt und damit ein Vielfaches des erforderlichen Durchflusses durch den Gassensor 1, welcher z.B. 10 Flusseinheiten betragen soll. Ein fünfter Massenflussregler 15 wird daher auf einen Fluss von 10 Flusseinheiten eingestellt. Bei einem Gesamtfluss von 100 Flusseinheiten vor einem Bypass 16, strömen 90 Flusseinheiten demnach über den Bypass 16 ab und 10 Flusseinheiten strömen über den fünften Massenflussregler 15. Bei dieser Vorrichtung sind der Testgaseingang 6 und der Nullgaseingang 7, das erste Ventil 4 und das zweite Ventil 5, der erste Massenflussregler 2 und der zweite Massenflussregler 3, der Bypass 16, der fünfte Massenflussregler 15 und einem Gassensor 1 vorgesehen. Wie auch in 5 dargestellt, dient der Bypass 16 in Verbindung mit dem fünften Massenflussregler 15 der Konstanthaltung des erforderlichen Durchflusses durch den Gassensor 1.
Für jeden einzelnen Durchflusswert, der vorgegeben werden soll, wird der 50%-Wert in der nachfolgend beschriebenen Art und Weise gefunden:

(1) Testgas wird am Testgaseingang 6 mit ausreichendem Vordruck angeschlossen.
(2) Das erste Ventil 4 wird eingestellt, so dass der erste Massenflussregler 2 mit Testgas versorgt wird.
(3) Nullgas wird am Nullgaseingang 7 mit ausreichendem Vordruck angeschlossen.
(4) Das zweite Ventil 5 wird eingestellt, so dass der zweite Massenflussregler 3 mit Nullgas versorgt wird.
(5) Der erste Massenflussregler 2 erhält einen Sollwert, z.B. 10 Flusseinheiten, der zweite Massenflussregler 3 erhält einen Sollwert, z.B. 10 Flusseinheiten, so dass der Gassensor 1 mit etwa 50% Testgas in Nullgas durchströmt wird.
(6) Die Anzeige des Gassensors 1 zeigt einen ersten Wert W5-1-10 (1. Ziffer = Testgasposition, 2. Ziffer = Zähler der Messung, 3. Ziffer = Flusseinheiten).
(7) Das erste Ventil 4 und das zweite Ventil 5 werden jeweils umgeschaltet, so dass nun der erste Massenflussregler 2 mit Nullgas und der zweite Massenflussregler 3 mit Testgas versorgt werden.
(8) Die Anzeige des Gassensors (7) zeigt einen zweiten Wert W6-1-10.
(9) Es wird die betragsmäßige Differenz zwischen W5-1-10 und W6-1-10 betrachtet.
(10) Das erste Ventil 4 und das zweite Ventil 5 werden jeweils umgeschaltet, so dass wieder der erste Massenflussregler 2 mit Testgas und der zweite Massenflussregler mit Nullgas versorgt werden.
(11) Der Sollwert des ersten Massenflussreglers 2 wird leicht verändert, z. B. erhöht. Die Schritte 6 bis 10 werden mit dem neuen Sollwert für den ersten Massenflussregler 2 wiederholt. Die betragsmäßige Differenz zwischen den neuen Werten W5-2-10 und W6-2-10 wird mit der vormals erhaltenen betragsmäßigen Differenz zwischen W5-1-10 und W6-1-10 verglichen.
(12) Der Sollwert des ersten Massenflussreglers 2 wird so lange verändert, bis ein Minimum für die betragsmäßige Differenz zwischen den Werten W5-x-10 und W6-x-10 für die x-te Messung gefunden wurde.
(13) Die so gefundenen Sollwerte für den ersten Massenflussregler 2 und den zweiten Massenflussregler 3 führen also bei ca. 10 Flusseinheiten zu gleich großen Flüssen und damit zu einer Testgas-Konzentration von 50%. Der Mittelwert der Anzeigen des Gassensors 1 vor und nach dem Tausch der Gase an den Massenflussreglern 2, 3 wird notiert. Bezeichnen wir diesen Wert als W50-10.
(14) Mit der Einstellung bei 20 Flusseinheiten wird ebenso verfahren, wie in den Schritten (5) bis (13) beschrieben und ein Wert W50-20 generiert.
(15) Ebenso mit 30 bis 90 Flusseinheiten um W50-30 bis W50-90 zu erzeugen.

Die so gefunden 50%-Werte dienen anschließend der Erzeugung der o.g. Wertepaare Testgas/Nullgas von 10/90 bis 90/10.
Es sind verschiedene Modifikation der zuvor beschriebenen Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel können Coriolis-Massenflussregler oder Differenzdruck-Massenflussregler zum Einsatz kommen. Der Aufbau kann gemäß 4 um den Bypass 16 oder gemäß 5 um den fünften Massenflussregler 15 mit dem zugeordneten Bypass 16 vor dem Gassensor 1 erweitert werden, um den Durchfluss durch den Gassensor 1 konstant zu halten. Die Anzahl der verwendeten Gas-Massenflussregler kann verringert oder erhöht werden. Die Reihenfolgen bei der Durchführung der Kalibrierung kann verändert werden. Ausgehend von der Kalibrierung bei 50%-Testgas-Konzentration kann in der Folge mit Flaschenprüfgas oder mit einer vorgeschalteten Gasmischeinrichtung gearbeitet werden, wobei die Flaschenkonzentration oder von der vorgeschaltete Gasmischeinrichtung erzeugte Konzentration zunächst mit dem kalibrierten Gassensor 1 vermessen wird.
Das hier vorgestellte Kalibrierverfahren und die Vorrichtung können zusammen mit Gassensoren 1 verbaut werden, so dass eine vor-Ort-Kalibrierung ermöglicht wird. Verfahren und Vorrichtung ermöglichen es, hochpräzise Gassensoren 1 auch mit hoher Genauigkeit und mit höherer Genauigkeit als mit verfügbaren Verfahren zu kalibrieren.
Bezugszeichen

1: Gassensor
2: erster Massenflussregler
3: zweiter Massenflussregler
4: erstes Ventil
5: zweites Ventil
6: Testgaseingang
7: Nullgaseingang
8: Gasausgang
9: Gasausgang
10: Abgasauslass
11: dritter Massenflussregler
12: vierter Massenflussregler
13: drittes Ventil
14: viertes Ventil
15: fünfter Massenflussregler
16: Bypass
S: Sensorsignal
t: Zeit [s]

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6389364 B1 [0005]
GB 2333614 A1 [0008]
WO 2011/132049 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Gassensors (1) mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten, die mindestens zwei Massenflussregler (2, 3) mit einem variablem Durchfluss umfassen, wobei jeder Massenflussregler (2, 3) von mindestens einer Gaskomponente durchströmt wird, wobei die Massenflussregler (2, 3) derart eingeregelt werden, dass der gleiche Gasfluss der jeweils angeschlossenen Gaskomponente fließt und anschließend werden die an die Massenflussregler (2, 3) angeschlossenen Gaskomponenten gegeneinander getauscht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidischen Komponenten drei Massenflussregler umfassen, die von zwei Paaren Gasgemischen, die jeweils eine gemeinsame und eine verschiedene Gaskomponente umfassen, durchflossen werden, wobei die Paare Gasgemische gegeneinander getauscht werden, und die Regelung derart erfolgt, dass der gleiche Gasfluss des jeweils angeschlossenen Gasgemischs eingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) Sensor Werte liefert die registriert werden und die Massenflussregler (2, 3, 11, 12,15) derart eingeregelt werden, dass die mit dem Gassensor (1) gemessene Gaskonzentrations-Änderung beim Tausch der an die Massenflussregler (2, 3, 11, 12,15) angeschlossenen Gaskomponenten oder Gasgemische minimal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskomponenten ein Nullgas und mindestens ein Testgas verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nullwert (NW) und ein Endwert (EW) des Gassensors (1) kalibriert werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Gassensor (1), der mit einer Mehrzahl von fluidischen Komponenten gekoppelt ist, die mindestens zwei Massenflussregler (2, 3) mit einem einstellbaren Durchfluss umfassen, wobei jeder Massenflussregler (2, 3) über ein Mehrwegeventil mit einem Vorrat mindestens einer Gaskomponente verbunden ist und einer mit dem Gassensor (1) verbundenen Auswerteeinrichtung mit zugeordneter Anzeigeeinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) einen Messbereich von 0 bis 100 Vol% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) als ein Wasserstoff-Gassensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) auf der Messung der Wärmeleitfähigkeit beruht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nullwert (NW) und ein Endwert (EW) des Gassensors (1) kalibrierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenflussregler (2, 3, 11, 12, 15) als ein thermischer Gas-Massenflussregler, ein Coriolis-Gas-Massenflussregler oder ein Differenzdruck-Massenflussregler ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gassensor (1) ein Bypass (16) oder ein Massenflussregler (15) mit Bypass (16) vorgeschaltet ist, um den Durchfluss durch den Gassensor (1) konstant zu halten.