(57)【要約】  本体部２０と緩衝蓄熱部２１を備えた調温ユニット３であって、本体部２０を通して、媒体が案内され、緩衝蓄熱部２１と本体部２０の間に、第一の伝熱面２４と第二の伝熱面２５を有する温度調節ユニット２３が配置されており、この温度調節ユニット２３を用いて、第一の伝熱面２４と第二の伝熱面２５の間の温度差が設定される当該調温ユニット３を使用して、媒体の流量変動又は圧力変動が大きいにも関わらずガス状又は液状の媒体の温度を厳密に設定しかつ一定に維持できるようにするために、この調温ユニットが、所定の目標温度Ｔｓｏｌｌを維持するように制御され、この調温ユニット３を制御するための操作量Ｙが、調温ユニット３での媒体の温度調節に必要なパワーＰＶを算出する原型部分Ａと、この原型部分Ａで算出されたパワーＰＶを補正する調節部分Ｒとから構成され、目標温度Ｔｓｏｌｌと実際温度Ｔｉｓｔの制御誤差Ｆが、この調節部分Ｒに指数関数的に取り入れられるようになっている。
2018520436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部（２０）と緩衝蓄熱部（２１）を備えた調温ユニット（３）を制御する方法であって、本体部（２０）を通して、媒体が案内され、緩衝蓄熱部（２１）と本体部（２０）の間に、第一の伝熱面（２４）と第二の伝熱面（２５）を有する温度調節ユニット（２８）が配置されており、当該温度調節ユニット（２８）を用いて、第一の伝熱面（２４）と第二の伝熱面（２５）の間の温度差を設定する方法において、
この調温ユニット（３）が、媒体の所定の目標温度（Ｔｓｏｌｌ）を維持するように制御され、この調温ユニット（３）を制御するための操作量（Ｙ）が、調温ユニット（３）での媒体の温度調節に必要なパワー（ＰＶ）を算出する原型部分（Ａ）と、この原型部分（Ａ）で算出されたパワー（ＰＶ）を補正する調節部分（Ｒ）とから構成され、目標温度（Ｔｓｏｌｌ）と実際温度（Ｔｉｓｔ）との制御誤差（Ｆ）が、この調節部分（Ｒ）に指数関数的に取り入れられることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記原型部分（Ａ）が、次の関係式に基づき
【数１】
2018520436.tif 000020
前記温度調節に必要なパワー（ＰＶ）を算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記原型部分（Ａ）において、調温ユニット（３）の損失パワー（ＰＬ）を考慮することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記調節部分（Ｒ）が、比例部分（ＹＰ）及び／又は積分部分（ＹＩ）から構成され、前記制御誤差（Ｆ）が、その制御誤差（Ｆ）の指数関数（ｆＰ（ｅＦ），ｆＩ（ｅＦ））として、この比例部分（ＹＰ）及び／又は積分部分（ＹＩ）に取り入れられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記比例部分（ＹＰ）が、利得（ＫＰ）と前記指数関数（ｆＰ（ｅＦ））から演算されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記比例部分（ＹＰ）が、次の関係式
【数２】
2018520436.tif 000021
から算出されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記比例部分（ＹＰ）が、補正関数（ＹＰｏｗｅｒＣｏｒ）を用いて、補正された比例部分（ＹＰｃｏｒ）として補正されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記補正された比例部分（ＹＰｃｏｒ）が、次の関係式
【数３】
2018520436.tif 000022
から算出されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記積分部分（ＹＩ）が、利得（ＫＩ）、前記指数関数（ｆＩ（ｅＦ））及び時間（ｔ）から演算されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記積分部分（ＹＩ）が、サンプリング時間（Δｔ）による離散時間のコントローラに関して、利得（ＫＩ）、前記指数関数（ｆＩ（ｅＦ））及びこのサンプリング時間（Δｔ）から演算されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１１】
前記積分部分（ＹＩ）における指数関数（ｆＩ（ｅＦ））が、次の関係式
【数４】
2018520436.tif 000023
から算出されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記積分部分（ＹＩ）が、補正関数（ＹＰｏｗｅｒＣｏｒ）を用いて、補正された積分部分（ＹＩｃｏｒ）として補正されることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１２】
前記補正された積分部分（ＹＩｃｏｒ）が、次の関係式
【数５】
2018520436.tif 000024
から算出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１３】
前記操作量（Ｙ）において、減衰係数（ＹＤｆ）を考慮することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記緩衝蓄熱部（２１）において、当該緩衝蓄熱部（２１）を通して冷媒を案内する冷却機器（２６）が設けられており、操作量（ＹＣＰ）を算出することによって、当該冷却機器（２６）を制御し、温度調節ユニット（２３）の温度（ＴＴＥ）と冷媒の実際温度（ＴＫ）の温度差（ΔＴＫ）が、当該操作量（ＹＣＰ）に指数関数的に取り入れられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記温度調節ユニット（２３）の温度（ＴＴＥ）を不感時間（Ｔｔｏｔｂ）によって補正することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記操作量（ＹＣＰ）が、次の式
【数６】
2018520436.tif 000025
に基づき算出されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記算出された操作量（ＹＣＰ）をフィルタリングして、このフィルタリングされた操作量（ＹＣＰ）を前記冷却機器（２６）の制御に使用することを特徴とする請求項１４から１６までのいずれか一つに記載の方法。
【請求項１８】
前記フィルタリングが、ガウスフィルター（Ｇ）を用いて行なわれることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１から１８までのいずれか一つに記載の方法をガス状媒体の消費量を測定するために使用する方法であって、
当該ガス状媒体が、ガス流路（１７）に沿って消費量測定装置（１）を通って流れ、その際、消費量が、消費量センサー（５）を用いて測定され、当該ガス状媒体が消費量センサー（５）の上流側で調温ユニット（３）を用いて温度調節され、当該ガス状媒体が調温ユニット（３）と消費量センサー（５）との間で減圧され、調温ユニット（３）が前記制御方法に基づき制御される方法。
【請求項２０】
前記調温ユニット（３）の下流側のガス状媒体の圧力が、圧力制御ユニット（４，７）によって設定されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ガス状媒体の消費量を測定する消費量測定装置であって、ガス状媒体を消費量測定装置（１）に供給するための入力ポート（１５）と、ガス状媒体を消費量測定装置（１）から提供するための出力ポート（１６）とを有し、これらの入力ポート（１５）と出力ポート（１６）の間に、ガス流路（１７）が設けられており、このガス流路には、消費量センサー（５）が配置され、この消費量センサー（５）の上流側に、ガス状媒体を温度調節する調温ユニット（３）が配置され、これらの調温ユニット（３）と消費量センサー（５）の間に、ガス状媒体を減圧する圧力制御ユニット（４）が配置されている消費量測定装置において、
当該調温ユニット（３）が、ガス状媒体を貫流させる媒体配管（２２）を配置した本体部（２０）と、熱を蓄積する緩衝蓄熱部（２１）とを有して構成されており、これらの本体部（２０）と緩衝蓄熱部（２１）の間に、温度調節ユニット（２３）が配置されており、ガス状媒体の所定の目標温度（Ｔｓｏｌｌ）を維持するように、当該調温ユニット（３）を制御する制御ユニット（１０）が設けられていることを特徴とする消費量測定装置。
【請求項２２】
前記緩衝蓄熱部（２１）に、冷却機器（２６）が設けられていることを特徴とする請求項２１に記載の消費量測定装置。
【請求項２３】
前記消費量センサー（５）の下流側に、さらに他の圧力制御ユニット（７）が設けられていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の消費量測定装置。
【請求項２４】
前記消費量センサー（５）が、測定範囲が異なる複数のコリオリセンサー（３１，３２）から構成されていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の消費量測定装置。
【請求項２５】
前記ガス流路（１７）には、前記消費量センサー（５）の下流側に、前記ガス流路（１７）を遮断することが可能なゼロ点調整弁（３９）が配置されていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の消費量測定装置。
【請求項２６】
前記ガス流路（１７）に不活性ガスをパージすることが可能な不活性ガスパージ部（４１）が、この消費量測定装置（１）に設けられていることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の消費量測定装置。
【請求項２７】
請求項１から１８までのいずれか一つに記載の制御方法が、前記制御ユニット（１０）に実装されていることを特徴とする請求項２１から２６までのいずれか一つに記載の消費量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願が対象とする発明は、本体部と緩衝蓄熱部を備えた調温ユニットの制御方法であって、本体部を通して媒体が案内され、緩衝蓄熱部と本体部の間に、第一の伝熱面と第二の伝熱面とを有する温度調節ユニットが配置されており、この温度調節ユニットを用いて、第一の伝熱面と第二の伝熱面の間の温度差を設定する制御方法と、この制御方法をガス状媒体の消費量を測定する消費量測定装置において使用する方法とに関する。更に、本発明は、ガス状媒体の消費量を測定する消費量測定装置であって、この装置は、ガス状媒体を消費量測定装置に供給するための入力ポートと、ガス状媒体を消費量測定装置から提供するための出力ポートとを備え、これらの入力ポートと出力ポートの間に、ガス流路が配備されており、このガス流路には、消費量センサーが配置され、この消費量センサーの上流側には、ガス状媒体の温度を調節する調温ユニットが配置され、調温ユニットと消費量センサーの間には、ガス状媒体を減圧する圧力制御ユニットが配置されている消費量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テストベンチで内燃機関の燃料消費量を正確に測定するためには、内燃機関に供給される燃料の温度と圧力を厳密に調整することが必要である。その場合、燃料消費量の測定は、周知のコリオリ流量センサーを用いて行なわれることが多い。このとき、液体燃料のために多くは前段循路と測定循路が設けられ、これらの循路内を液体燃料が循環させられる。前段循路と測定循路の間には、流量センサーが配置されている。測定循路は、供給対象の内燃機関を経て閉じる。従って、液体燃料供給システムでよくあるフラッシング分は、測定循路に戻される。前段循路は、内燃機関で消費される分の燃料を測定循路に供給する役割を果たす。そのため、これらの間に配置された流量センサーが液体燃料の消費量を正しく測定する。液体燃料は、無視できない熱膨張率を持つので、体積変化によって起こり得る測定循路内の温度変動に起因する測定誤差を防ぐためには、測定循路内の温度を出来る限り一定に維持しなければならない。測定循路に戻されるフラッシング分は、内燃機関の燃料供給システムによって温められるので、内燃機関への供給路において燃料の温度を調節しなければならない。正確な消費量測定のためには、前段循路においても、温度変動による体積変化を防止しなければならない。このため、前段循路における燃料も温度調節される。更に、内燃機関に供給される液体燃料の圧力も、圧力制御ユニットを用いて出来る限り一定に制御されている。それに加えて、燃料の温度も圧力もそのときの流量に依存している。この種の燃料消費量の測定例が、液体燃料の調整に焦点をあてた特許文献１及び２に記載されている。そこでは、燃料の温度が、冷却液を用いた熱交換器によって制御されている。しかし、そのような熱交換器は、緩慢であり、ゆっくりとした温度変化しか可能でない。ただ、液体燃料に関しては、温度を出来る限り一定に維持するだけでよいのでそれでも間に合う。このこととは別に、この種の熱交換器は、熱交換器を動作させるための追加の部品と制御を必要としており、このことが設備の負担も大きくしている。
【０００３】
上述した内燃機関の燃料消費量を測定するシステムは、基本的に気体燃料の場合にも、例えば、ガスエンジンにも適用することが可能である。ただし、この種のシステムは、気体燃料の場合、前段循路と測定循路内に気体燃料を循環させるのに適った圧縮機又は送風機を要し、これがシステムを著しく高価にするとともに大型化させるので不利である。このことは別にしても、圧縮機がガス状媒体の温度にやはり大きな影響を与え、これが、温度制御の目的に反する影響を与える。
【０００４】
天然ガスや水素などの気体燃料の場合、気体燃料は、通常は高い圧力の下で存在するか又は供給され、その結果、内燃機関（この場合、ガスエンジン）で燃料として使用するためには、先ずは所要の低圧力に減圧しなければならないというさらなる問題が生じる。ところが、気体燃料の減圧時に燃料が大幅に冷却されることがあり（ジュール・トムソン効果）、そのことが、例えば、ガス配管又はガス配管内の他の部品の結露ならびに凍結を生じさせることで、調整装置に後続する部品にとって問題になることがある。そこで、気体燃料は、通常は減圧前に温められることで、結果的に減圧によって所望の燃料温度になるようになっている。供給される気体燃料の圧力変動に起因して、さらには減圧後の温度が気体燃料の組成に依存することにも起因して、減圧後の温度が大きく変わる可能性がある。しかし、特許文献１及び２に記載されているようなシステムは、こうまでも大きく入力側で変わる温度には適していない。そこに記載された緩慢な熱交換器は、大きな温度変動を通常は補償することができない。
【０００５】
熱交換器というものは、緩慢であり、ゆっくりとした温度変化しか可能でない。そのため、熱交換器を用いた上述の調温は、大きな負荷変化に適していない。このため、現在の技術水準では、そのような負荷変化後に整定時間をおかなければならなくなる。この間、温度は安定せず、流量センサーに関して高精度な測定ができない。入力温度の変化にもっと依存しない動作のためには、熱交換器のパワー密度を上げなければならない。しかし、そのことは、技術的にそれほど難無く実現できるものではなく、凡そ可能であったとしても熱交換器の再設計が必要となる。或いは、パワー密度が一定である場合、所要スペースが著しく大きなものとなる。さらに、別の可能性は、場合によっては熱交換器のより積極的な制御を行うことにあるかもしれない。しかしそれは、またもやオーバーシュート及びアンダーシュートを大きくし、そのために実現可能な目標温度変化に関する動特性を悪化させる結果になることを意味する。しかも、熱交換器の大型化は、液体の場合にのみ有効である。ガス状媒体の場合、流量の変化は、直ちに圧力の変化と目標温度の変化を引き起こす。そのため、熱交換器は、目標温度の極めて速い変更を可能としなければならないであろうが、これは、冷却液により動作する熱交換器では、現実的に実現可能ではない。つまり、量は一定のままで利用可能なパワーをさらに増やさなければならないのかもしれないが、もっぱらパワーを増やすことがこの場合に有効とは思われない。代替的に、熱交換器のコントローラをより積極的に設定することがまだ残されているものの、これは、またもや一層大きなオーバーシュート及びアンダーシュートを引き起こすと考えられる。従って、正確かつ高速な温度制御は不可能であろう。
【０００６】
ガス状媒体の場合、流量の変化は、直ちに圧力の変化と目標温度の変化を引き起こす。そのため、熱交換器は、目標温度の極めて速い変更を可能としなければならないであろうが、これは、冷却液により動作する熱交換器では、現実的に実現可能ではない。このことを別にしても、目標値変更のためには、パワー密度だけが重要であって絶対的なパワーは重要でないので、単にパワーを増大させることは動特性に関して殆ど効果が無い。そのため、流量変動が大きい場合、熱交換器を用いた調温による正確かつ高速な温度制御は不可能と考えられる。これは、調整対象のガス状媒体にも、液状媒体にも言えることである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１２３７４２号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第１７２９１００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のことから、本出願が対象とする発明の第一の課題は、媒体の流量変動又は圧力変動が大きいにも関わらず、ガス状媒体又は液状媒体の温度を厳密に設定するとともに、一定に保持することができる、冒頭で述べた形式の調温ユニットを制御する方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、ガス状媒体の所定の目標温度を維持するように調温ユニットを制御する方法において、この調温ユニットを制御するための制御変数が、この調温ユニットでガス状媒体を予加熱するのに必要なパワーを算出する原型部分と、この原型部分で算出したパワーを補正する調節部分とから構成され、この調節部分に、目標温度と実際温度とによる制御誤差を指数関数的に取り入れる方法によって解決される。原型部分により、ガス状媒体の温度調節に必要なパワーを大まかに算出することができる。次に、正確な制御は調節部分が担い、これが原型部分を補正する。調節部分において制御誤差を指数関数的に考慮することによって、調温ユニットにおける熱伝播が近似的に表され、それによって、調温ユニットの特に正確な制御が可能となる。
【００１０】
ここで、本発明によれば、好適にも調温ユニットは、ガス状媒体が貫流する媒体配管を配置した本体部と、熱を蓄積する緩衝蓄熱部とにより構成され、本体部と緩衝蓄熱部の間に、温度調節ユニットが配置されている。この調温ユニットによって、調温ユニットでの速く、正確で安定した温度制御に必要な素早い制御介入を実現することができる。
【００１１】
ガスエンジンの場合、気体燃料の流量は、ガスエンジンの負荷にも大きく依存する可能性がある。このことはまた、特許文献１及び２における熱交換器が、気体燃料を前段循路でも測定循路でも温度調節するために、このように大きく変動する流量に対処可能でなければならないことを意味する。しかし、上記文献に記載された緩慢な熱交換器は、通常それに適していないか、或いはそれに対応した寸法にしなければならないものの、そのことが又もや熱交換器の負担を大きくし、より高価なものとする。
【００１２】
このことを別にしても、この種の熱交換器を用いた気体燃料の温度制御は正確でもなく、特に、流量又は圧力が変化した後に温度調節のオーバーシュート（過熱又は過冷却）が起きることを想定しなければならないと考えられる。
【００１３】
更に、一般の液体燃料用設備は、通常は１０バールまでの圧力にしか耐えられない。しかし、気体燃料では、予加熱のために３００バールまでの耐圧が必要である。このため、気体燃料による適用範囲の多くに用いられる従来装置は、はなから除外されることとなる。
【００１４】
従って、内燃機関の液体燃料の消費量を正確に測定する周知の装置は、気体燃料にどちらかといえば適していないか、限定的にしか適さない。そのため、気体燃料の消費量を正確にかつ許容できる負担で測定できるようにするためには、気体燃料に関して別のアプローチが必要である。
【００１５】
高い供給圧力を所要の使用圧力にまで減圧させる天然ガス網のガス圧力制御設備が知られており、それらの設備にガス量測定部が組み込まれていることがある。そのようなガス圧力制御設備は、通常は入力側の天然ガス予熱器（多くの場合、水加熱浴形式で、管内に天然ガスを貫流させるもの）か或いは水／天然ガス熱交換器を備えている。この天然ガス予熱器によって、ジュール・トムソン効果による冷却を補償するために、使用圧力への減圧前に天然ガスを加熱している。もっとも、そのようなガス圧力制御設備は、出力圧力の精度に対する高い要求も、出力温度に対する特殊な要求も課せられていない。この種のガス圧力制御設備では、時間的にゆっくりと変化する流量の影響も気にしなくてよい。速くて急激な流量変化は、この種のガス圧力制御設備では何れにせよ生じない。
【００１６】
供給される気体燃料をガス予熱して、減圧後に所望の温度を得るのに必要な熱エネルギーは、周知の公式により算出することができ、天然ガス予熱器を制御するためにこの種のガス圧力制御設備で使用されている。この公式は、気体燃料を温度調節するための熱交換器の温度制御にも使用することができる。ただし、これによっては、比較的緩慢な流量変化に対してしか十分な制御精度を達成することができない。流量が僅かしか変化しない、そして変化したとしてもゆっくりとしか変化しないガス圧力制御設備に対してであれば、これでもよい。しかし、例えば内燃機関（例えば、エンジンやガスタービンなど）の消費量測定時などといった、流量が極めて動的に変化（速く大きい流量変化の意味で）する可能性がある用途では、この周知のアプローチによる温度制御で達成できる精度は十分ではない。
【００１７】
似たような問題は、消費体を動作させるために消費体にガス状媒体が供給され、その際に消費体での使用圧力を上回る圧力下にガス状媒体が置かれるか或いは供給されるような場合、一般には至る所で発生する。内燃機関以外に同様の精度が要求される別の例は、水素が供給される燃料電池、ロケットエンジン又はジェットエンジンである。
【００１８】
ここで、ガス状媒体の圧力制御は、従来どおり制御される圧力制御装置を用いて比較的簡単に実現することが可能である。これに対して、この媒体の温度制御は、上述した問題のために実現することが非常に難しい。
【００１９】
従って、本出願が対象とする発明の別の課題は、流量及び／又は圧力が極めて動的に変動するにも関わらず、出力において出来る限り一定の温度で気体燃料を提供する、消費体の気体燃料の消費量を測定する方法を提示することである。
【００２０】
この課題は、本発明において、ガス状媒体がガス流路に沿って消費量測定装置を通って流れ、その際、消費量が消費量センサーにより測定され、ガス状媒体が消費量センサーの上流側で調温ユニットにより温度調節され、ガス状媒体が調温ユニットと消費量センサーの間で減圧され、調温ユニットが本発明による制御方法に基づき制御されることによって解決される。
【００２１】
この方法及び調温ユニットの更に別の特別で有利な実施形態は、本発明の従属請求項及び明細書から明らかになる。
【００２２】
以下において、本発明の有利な実施形態を例示により模式的に図示しかつ本発明を限定しない図１〜５を参照しながら本出願が対象とする発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による消費量測定装置のフロー図である。
【図２】代替実施形態による消費量測定装置のフロー図である。
【図３】調温ユニットの断面図である。
【図４】緩衝蓄熱部内に能動的な冷却部を備えた調温ユニットの断面図である。
【図５】消費量測定装置の有利な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、消費量測定のために、図１に図示されているようなガス圧力制御設備などから知られた構成に似た構成から出発する。この消費量測定装置１は、媒体供給部２からガス状媒体を取り入れる。この媒体供給部２は、例えばガス配管、或いは例えばガスタンクなどの媒体容器とすることができる。このガス状媒体は、通常一定でない入力圧力ｐｅにより媒体供給部２から取り入れられて、ガス流路１７に沿って消費量測定装置１を貫流する。この場合、入力圧力ｐｅは、３００バール以内の圧力及びそれ以上の圧力を想定することができる。この取り入れられたガス状媒体は、ガス流路１７内の調温ユニット３に供給され、当該ユニットでガス状媒体が所定の温度Ｔ１に加熱される。その後、加熱されたガス状媒体は、圧力制御ユニット４に供給され、そのユニットでガス状媒体が減圧力ｐｒｅｄに減圧される。この圧力制御ユニット４での減圧によって、ガス状媒体の温度も減圧温度Ｔｒｅｄに変化する。天然ガスをガス状媒体とする場合、ジュール・トムソン効果によって、ガス状媒体が冷却されることとなる。水素の場合であれば、減圧によってガス状媒体が加熱されることすらあり得る。圧力制御ユニット４での減圧後、ガス状媒体は、消費量センサー５に、例えば、質量流量センサー、或いは例えば、周知のコリオリセンサー形式の流量センサーに供給される。このガス状媒体は、出力圧力ｐａ及び出力温度Ｔａで消費量測定装置１から出て行き、消費体６に、例えば、内燃機関、ガスタービン又は燃料電池に供給される。こうして、消費体６によるガス状媒体の消費量は、消費量センサー５によって測定される。正確な測定のためには、高い温度安定性と圧力安定性が必要である。
【００２５】
図１による実施形態では、出力圧力ｐａと出力温度Ｔａは、圧力制御ユニット４後の減圧力ｐｒｅｄと減圧温度Ｔｒｅｄとほぼ一致する。代替的な実施形態では、図２に基づき説明する通り、二段階（又はそれ以上の段階）で減圧を実施することもできる。この実施例では、ガス状媒体は、消費量センサー５の手前で、消費量を測定する際の減圧力ｐｒｅｄと減圧温度Ｔｒｅｄに設定される。流れ方向において消費量センサー５の下流側に、第二の圧力制御ユニット７が配置されており、そのユニットが、ガス状媒体を出力圧力ｐａに減圧し、それによってさらに出力温度Ｔａとなる。例えば、有利に用いられるコリオリセンサーといった類の消費量センサー５は、ガス状媒体の圧力が高い方が、つまり密度が高い方がより高い精度を有する。従って、先ず十分に高い測定精度が得られる圧力に減圧するだけにし、その後にようやく所要のさらに低い出力圧力ｐａに減圧するのが有利となることもある。
【００２６】
消費体６によるガス状媒体の消費量を正確に測定するためには、出力圧力ｐａと出力温度Ｔａを出来る限り一定に保持すべきである。ところが、出力圧力ｐａと出力温度Ｔａは、入力圧力と入力温度Ｔｅ、取り入れるガス状媒体の組成（ジュール・トムソン効果のため）に、さらには時間に関してもそうだが振幅においても大きく変わり得る流量に、大きく依存する。この影響を補償できるためには、一方において、出力圧力ｐａの圧力制御と、とりわけ調温ユニット３の極めて動的な温度制御とを必要とする。
【００２７】
この出力圧力ｐａの圧力制御は、例えば調整可能な圧力制御弁形式の、従来技術による圧力制御ユニット４，７を用いて十分な精度で実施することができる。従って、出力圧力ｐａは、有利には、上位の圧力制御ループにおいて制御される。これについては、消費量測定装置１の出口に圧力センサー８を配備して、これが出力圧力ｐａを検知して制御ユニット１０に（有利には、デジタル形式で）提供するようにできる。この制御ユニット１０は、所望又は所定の出力圧力ｐａに調整するために、第一の圧力制御ユニット４（図１）を操作するか、或いは第一の圧力制御ユニット４及び／又は第二の圧力制御ユニット７（図２）を操作する。図２による実施例では、第一の圧力制御ユニット４は、例えば、一定の減圧力ｐｒｅｄに調整され、出力圧力ｐａは、第二の圧力制御ユニット７によってのみ調節される。
【００２８】
温度制御に関して、出力温度Ｔａは、温度センサー９により検知されて制御ユニット１０に（有利には、デジタル形式で）提供される。なお、以下に出力温度Ｔａの測定に基づき本発明を説明するが、基本的に消費量測定装置１の任意の各場所の温度を採用してもよいことに留意されたい。特に、出力温度Ｔａの代わりに、減圧温度Ｔｒｅｄ、調温ユニット３後の温度Ｔ１又は消費量センサー５内の温度ＴＳを用いることもできる。制御ユニット１０は、測定した温度、例えば、減圧温度Ｔｒｅｄ、調温ユニット３後の温度Ｔ１又は消費量センサー５内の温度ＴＳから、調温ユニット３のための操作量Ｙを算出し、それを用いて調温ユニット３を駆動制御する。加えて、制御ユニット１０には、更に、消費量センサー５により測定される実際の流量
【００２９】
【数１】
2018520436.tif 000003
【００３０】
も供給されてよい。従って、所望の出力温度Ｔａは、調温ユニット３の制御によって、実際の流量Ｖ・に応じて、そしてまた実際の出力圧力ｐａに応じて制御される。流量Ｖ・がかなりダイナミックに変動する場合に、出力温度Ｔａの正確な温度制御を可能にするべく、特別な制御方法と組み合わされる特別な調温ユニット３が配備されている。
【００３１】
調温ユニット３は、図３にかなり簡略化して図示されているように、調温すべきガス状媒体を貫流させる媒体配管２２が通される本体部２０を有して構成されている。この本体部２０に面して、温度調節ユニット２３が配置されており、さらにこのユニットに面して、熱を蓄積する緩衝蓄熱部２１が配置されている。この本体部２０は、緩衝蓄熱部２１に直に接するのではなく、温度調節ユニット２３によって緩衝蓄熱部から熱的に切り離されている。この緩衝蓄熱部２１は、有利には、或る程度の蓄熱量を有するヒートシンクとして構成されている。そのため、このヒートシンクは、ヒートシンクによくあるような最大放熱量に設計されておらず、その代わりに、少なくとも或る一定期間、排出すべき熱の或る一定部分を蓄熱するのでなければならない。温度調節ユニット２３は、本体部２０の温度を、従って貫流する媒体の温度を調節する役割を果たす。このために、温度調節ユニット２３は、本体部２０を加熱及び冷却することができる。
【００３２】
この温度調節ユニット２３は、有利には、少なくとも一つの熱電気式モジュール（ペルチェ素子）として、有利には、幾つかの熱電気式モジュールとして実現される。熱電気式モジュールというのは、周知の通り、第一の伝熱面２４と第二の伝熱面２５の間に配置された半導体素子である。この半導体素子に印加される供給電圧の極性に応じて、第一の伝熱面２４が第二の伝熱面２５よりも熱くなるか、或いはその逆となる。そのため、そのような熱電気式モジュールを用いて、供給電圧の極性に応じて、本体部２０を加熱することも、冷却することもできる。そのような熱電気式モジュールの構成及び機能は十分に知られており、そのような熱電気式モジュールが様々な出力クラスにおいて市販で入手可能であるため、ここではそれには詳しく立ち入らない。
【００３３】
熱電気式モジュールに供給電圧を印加した場合、周知の通り、熱電気式モジュールの伝熱面２４，２５の片方が冷却される一方で、それと同時に逆側の伝熱面が加熱される。二つの伝熱面２４，２５の間の最大温度差は、熱電気式モジュールの動作温度（より温かい伝熱面の温度）に依存する。動作温度が高くなる程、冷たい伝熱面と熱い伝熱面の間で実現可能な最大温度差が大きくなる。これにより、入手可能な熱電気式モジュールを用いると、高温の伝熱面において２００℃までの温度を実現することができ、そのときに低温の伝熱面は１００℃を超えない。供給電圧を転極するだけで、冷却と加熱の間を素早く切り換えることができる。調温ユニット３を貫流するガス状媒体の温度を調節しなければならないので、加熱とは、本体部２０に接する伝熱面２４を逆側の伝熱面２５よりも高温にすることを意味する。従って、冷却とは、伝熱面２５を温度がより高い伝熱面とし、本体部に接する伝熱面２４を温度がより低い伝熱面とすることを意味する。
【００３４】
しかし、ガス状媒体の温度調節に関して、ガス状媒体の温度を低下させるか、或いは上昇させる場合に、必ずしも供給電圧の極性を変更する必要はない。そのためには、伝熱面２４，２５間の温度差を利用することもできる。従って、より小幅の制御介入が温度差を使って行なわれる一方、大幅な制御介入が有利には熱電気式モジュールの供給電圧の転極を使って行なわれる。
【００３５】
温度差を用いたこの制御は、加熱動作中に、即ち、媒体配管２２内の媒体を加熱しなければならないときに、緩衝蓄熱部２１を蓄熱器として使用することによって補助される。
熱電気式モジュールの供給電圧が一定である場合、熱電気式モジュールでは、安定した温度差が得られる。ここで、媒体の温度調節のために必要な熱エネルギー又は熱が少なくなると、熱電気式モジュールの供給電圧が低減され、それによって温度のひらきも小さくなる。すると、本体部２０に接する、熱電気式モジュールの伝熱面２４の温度が低下する。
それと同時に、逆側の伝熱面２５の温度が上昇する。そのため、伝熱面２５とその面と接する緩衝蓄熱部２１との間に温度勾配が発生し、それによって、熱（熱流；
【００３６】
【数２】
2018520436.tif 000004
【００３７】
により表される）が緩衝蓄熱部２１に流れ、この緩衝蓄熱部では、蓄熱容量のために、この熱が直ちに周囲に排熱されるのではなく、（少なくとも或る限られた時間）一時的に蓄熱される。この一時的に蓄熱された熱は、より多くの熱エネルギーが媒体の温度調節のために再び必要となったときに、この一時的に蓄積された熱が温度制御に補助として利用される。この場合には、供給電圧が再び上げられ、それによって、熱電気式モジュールでの温度差が再び上昇する。そのため、緩衝蓄熱部２１と接する伝熱面２５の温度が、緩衝蓄熱部２１の温度に対して低下する。これにより、逆転した温度勾配が生じ、この温度勾配により緩衝蓄熱部２１に蓄積された熱エネルギーが本体部２０に流れ（熱流Ｑ・により表される。）、その結果、媒体の温度調節の際に熱電気式モジュールが補助を行うことになる。こうして、速い負荷切替又は温度変化に対して、非常に速くかつ精度良く反応することができ、よくある温度調節のオーバーシュートを出来る限り防止することができる。この点について、この効果を最大限に活用するために、本体部２０とそこに配置された媒体配管２２の蓄熱容量に、緩衝蓄熱部２１の蓄熱容量を合わせるのが有利である。
【００３８】
上記の通り、温度調節ユニット２３としての熱電気式モジュールについて調温ユニット３を説明したが、当然のことながら、温度調節ユニット２３の別の実施形態も考えられる。つまり、温度調節ユニット２３は、単に伝熱面２４，２５の間の温度差を変更可能であれば良い。物理的に考察すると、熱電気式モジュールの機能形態は、より低い温度の領域から熱エネルギーを奪って、より高い温度の加熱対象のシステムに伝達するヒートポンプに相当する。供給電圧の転極は、互いに逆に動作する二つのヒートポンプを設けることに相当する。そのため、温度調節ユニット２３としては、原則的に、ヒートポンプの概念に分類できる如何なる機器も考慮の対象となる。
【００３９】
本発明は、この調温ユニット３の利点を制御技術的にも利用できるようにする（これは、速く正確な制御の前提条件である）ために、緩衝蓄熱部２１と、媒体が貫流する本体部２０の間の前述した熱流Ｑ・を制御に考慮しようというものである。そのために、調温ユニット３のための操作量Ｙを目標基準温度Ｔｓｏｌｌから算出するコントローラを設計する。調温ユニット３は、この操作量Ｙにより駆動制御されて、媒体の温度を安定させて一定にする役割を果たす。
【００４０】
この操作量Ｙは、原型部分Ａと調節部分Ｒから構成される、即ち、Ｙ＝Ａ＋Ｒである。原型部分Ａは、調温ユニット３をモデル化して、調温ユニット３において媒体の温度調節に必要なエネルギー又はパワーＰＶを出来る限り正しく算出して、制御のためにこれを操作量に変換する役割を果たす。減圧後に目標温度Ｔｓｏｌｌを得るために、ガス状媒体の調温に必要なパワーＰＧは、次の周知の関係式に基づき算出することができる；
【００４１】
【数３】
2018520436.tif 000005
【００４２】
ジュール・トムソン効果がなければ、このパワーＰＧは、媒体の温度調節（加熱及び冷却）に必要なパワーにまで減る。ここで、現時点での流量Ｖ・は、消費量センサー５によって測定されて提供される。媒体の比熱ＨＧは定数であり、既知である。入力温度Ｔｅは、好適な温度センサー１１、例えばＰＴ１００センサーを用いて測定することができる。圧力差ΔｐＧは、入力圧力ｐｅから減圧力ｐｒｅｄへの減圧を表す（これら二つの圧力は、然るべき圧力センサー８，１２を用いて測定することができる）、即ち、ΔｐＧ＝（ｐｅ−ｐｒｅｄ）である。図２による実施形態では、この減圧力ｐｒｅｄも既知とすることができる。ガス状媒体の既知のジュール・トムソン係数はμＪＴで表される。液状媒体では、ジュール・トムソン係数はゼロに設定できる。
【００４３】
任意選択として、調温ユニット３における損失パワーＰＬもさらに考慮することができる。非常に正確で速い制御のためには、損失パワーＰＬを考慮に入れた方がよい。この損失パワーＰＬは、例えば、調温ユニット３の周囲温度Ｔａｍｂで周囲に排出される熱としてモデル化することができる。この周囲温度Ｔａｍｂは、ここでもやはり、適切な温度センサー１３、例えばＰＴ１００センサーを用いて測定することができる。次に、調温ユニット３の具体的な構成から取得されるとともに既知のものとして想定される経験的な定数ｋＰＬを用い、次の公式に基づいて損失パワーＰＬを算出することができる；
【００４４】
【数４】
2018520436.tif 000006
【００４５】
そして、調温ユニット３において温度調節に必要なパワーＰＶは、式；
【００４６】
【数５】
2018520436.tif 000007
【００４７】
から得られ、これを原型部分Ａとして用いることができる。簡易に処理できる制御用操作量をこれから算出するために、必要なパワーＰＶは、調温ユニット３における最大限利用可能なパワーＰＶ，ｍａｘに関連付けることもできる、即ち、原型部分は；
【００４８】
【数６】
2018520436.tif 000008
【００４９】
となる。そのため、この原型部分Ａは、領域［０，１］又は［−１．１］（調温ユニット３において加熱と冷却の間を切り換えることもできる場合）内のパラメータである。
【００５０】
温度調節ユニット２３として熱電気式モジュールを備えた調温ユニット３の具体的な実施形態では、必要なパワーＰＶは、熱電気式モジュールに印加される供給電圧ＵＶに換算することもできる。調温ユニット３における熱電気式モジュールのオーム抵抗ＲＣＵを用いて、既知の関係式；
【００５１】
【数７】
2018520436.tif 000009
【００５２】
から、供給電圧ＵＶを算出することができる。上記と同様に、原型部分Ａは、最大限に印加可能な供給電圧ＵＶ，ｍａｘを用いて；
【００５３】
【数８】
2018520436.tif 000010
【００５４】
として算出することができる。ただし、熱電気式モジュールのオーム抵抗ＲＣＵは通常既知ではなく、しかも温度にも依存する。このオーム抵抗ＲＣＵを決定できるようにするために、実験から経験的な関係式；
【００５５】
【数９】
2018520436.tif 000011
【００５６】
が求められ、この式から、熱電気式モジュールの実際温度Ｔｉｓｔ（簡単に測定できる）が分かればオーム抵抗ＲＣＵを算出することができる。この式においてＲＣＵ２０とＲＣＵ１５０は、温度が２０℃と１５０℃の場合の熱電気式モジュールのオーム抵抗ＲＣＵを表す経験的な定数である。
【００５７】
操作量Ｙの調節部分Ｒは、緩衝蓄熱部２１で利用可能な熱量を利用して、出力温度Ｔａ（或いは上述したような他の温度）を極めてダイナミックに且つ正確に制御する役割を担う。目標温度Ｔｓｏｌｌを得るために、温度調節に必要なパワーＰＶが原型部分Ａによって既に大まかに制御されるので、調節部分Ｒは、所望の正確な制御状況が得られるように、あとは操作量Ｙの僅かな修正だけを行えばよい。
【００５８】
上で説明したとおり、本発明による調温ユニット３では、本体部２０と緩衝蓄熱部２１間の熱流Ｑ・が重要な役割を果たす。この熱流Ｑ・を制御に考慮するために、制御誤差Ｆが線形的ではなく指数関数的に調節部分Ｒに取り入れられ、つまりはＲ＝ｆ（ｅＦ）となる。その理由は、同じく指数関数的な成分を含む熱伝導式の解にある。本実施形態では、制御偏差Ｆは、目標温度Ｔｓｏｌｌと実際温度Ｔｉｓｔの間の差である。
【００５９】
これに関して、目標温度Ｔｓｏｌｌも、実際温度Ｔｉｓｔも、制御すべき温度、即ち、例えば、出力温度Ｔａ、調温ユニット３後の温度Ｔ１、減圧力Ｔｒｅｄ又は消費量センサー５内の温度ＴＳに関するものであることに留意されたい。また、原型部分Ａにおける目標温度Ｔｓｏｌｌおよび実際温度Ｔｉｓｔと、調節部分Ｒにおける目標温度Ｔｓｏｌｌおよび実際温度Ｔｉｓｔとを、異なる温度に関するものにすること、即ち、例えば、原型部分Ａにおいては消費量センサー５内の温度ＴＳに関するものとし、調節部分Ｒにおいては出力温度Ｔａに関するものにすることも十分に可能である。
【００６０】
調節部分Ｒについては、古典的な制御技術的アプローチを選ぶことができる。このアプローチでは、調節部分Ｒは、ＰＩコントローラを構成するように比例部分ＹＰと積分部分ＹＩから構成される。つまりＲ＝ＹＰ＋ＹＩである。以下において、調節部分Ｒの実現可能な実施形態、つまり比例部分ＹＰと積分部分ＹＩの実現可能な実施形態について説明する。
【００６１】
従来技術による比例コントローラは、制御誤差Ｆを利得ＫＰで重み付けすること、即ち、ＫＰ・Ｆから構成される。従来技術による積分コントローラは、時間ｔに応じて制御誤差Ｆを利得ＫＩで重み付けすること、即ち、ＫＩ・Ｆ・ｔから構成され、ここで、利得ＫＩは積分時間Ｔｎの逆数である。
【００６２】
本発明によるコントローラの比例部分ＹＰと積分部分ＹＩには、制御誤差Ｆが、その制御誤差Ｆの指数関数ｆＰ（ｅＦ）又はｆＩ（ｅＦ）として取り入れられている。つまり、最も簡単な場合の比例部分ＹＰがＹＰ＝ＫＰ・ｆＰ（ｅＦ）となり、最も簡単な場合の積分部分ＹＩがＹＩ＝ＫＩ・ｆＩ（ｅＦ）・ｔとなる。サンプリング時間がΔｔ（例えば、１０ｍｓ）である離散時間のコントローラについては、積分コントローラは、ＹＩ（ｎ）＝ＹＩ（ｎ−１）＋ΔＹＩ（ここで、ΔＹＩ＝ＫＩ・ｆＩ（ｅＦ）・Δｔ）の形で表すこともできる。制御誤差Ｆの指数関数を使用することによって、調温ユニット３における熱伝導が近似的に表される。
【００６３】
上述した通り、調温ユニット３に供給されるエネルギーは、ガス状媒体を加熱するのに使用される一方で、他方では調温ユニット３全体を温めるのにも用いられる。そのため、エネルギーの供給が同じだと、ガス状媒体の温度を上げる方が、ガス状媒体の温度を下げるよりもゆっくりとなる。温度を上げることは、上述したように緩衝蓄熱部２１に蓄積された熱によって補助されているので、この影響はこれにより明らかに緩和される。
【００６４】
調温ユニット３のこの非対称な特性を均すために、適切な補正関数ＹＰｏｗｅｒＣｏｒによって、比例部分ＹＰと積分部分ＹＩを補正することもでき、それにより、次の通り、補正された比例部分ＹＰｃｏｒと補正された積分部分ＹＩｃｏｒが得られる；
【００６５】
【数１０】
2018520436.tif 000012
【００６６】
この式では、Ｈ（ｘ）は、実数を集合｛０，１｝にマッピングする既知のヘビサイド関数であり、ｘ＜０に関して、Ｈ（ｘ）＝０であり、ｘ≧０に関して、Ｈ（ｘ）＝１である。即ち、この補正によって、Ｔｓｏｌｌ＞Ｔｉｓｔの場合、即ち、ガス状媒体の温度を上げなければならない場合、比例部分ＹＰと積分部分ＹＩが増幅される。Ｔｉｓｔ＞Ｔｓｏｌｌの場合、即ち、ガス状媒体の温度を下げなければならない場合、比例部分ＹＰと積分部分ＹＩが減衰される。補正関数ＹＰｏｗｅｒＣｏｒとしては、例えば、上述した原型部分Ａを用いた次の式；
【００６７】
【数１１】
2018520436.tif 000013
【００６８】
を使用することができる。従って、制御介入が大きくなればなるほど、この補正が大きくなる、即ち、原型部分Ａが大きくなる。この補正関数ＹＰｏｗｅｒＣｏｒの構成は、当然のことながら、原型部分Ａが領域［０，１］又は［−１，１］に正規化されることが前提である。
【００６９】
有利な実施形態では、比例部分ＹＰは、次の関係式から得られる；
【００７０】
【数１２】
2018520436.tif 000014
【００７１】
有利な実施形態では、積分部分ＹＩにおける指数関数ｆＩ（ｅＦ）は、次の関係式から得られる；
【００７２】
【数１３】
2018520436.tif 000015
【００７３】
ここで、簡単化のために、積分部分ＹＩにおいても比例コントローラの利得ＫＰを使用することができるが、そのことは、もちろん必要不可欠ではないことを補足しておきたい。その代わりに積分コントローラの独自の利得ＫＩを使用することももちろんできる。
【００７４】
そして、離散時間の場合については、やはりＹＩ（ｎ）＝ＹＩ（ｎ−１）＋ΔＹＩ（ここで、ΔＹＩ＝ＫＩ・ｆＩ（ｅＦ）・Δｔ）として積分部分ＹＩを記述することができる。
【００７５】
ここで、Ｈ（ｘ）は、再びヘビサイド関数であり、ｓｉｇｎは、実数を集合｛−１，０，１｝にマッピングするシグナム関数（ｘ＜０に関して、ｓｉｇｎ（ｘ）＝−１、ｘ＝０に関して、ｓｉｇｎ（ｘ）＝０、ｘ＞０に関して、ｓｉｇｎ（ｘ）＝１）である。パラメータσは、
【００７６】
【数１４】
2018520436.tif 000016
【００７７】
として定義され、ρ＝０．３１８３６６である。積分部分ＹＩに関する関数ｆＩ（ｅＦ）は、全域に渡って連続的であり、指数関数的な推移を有するように選択される。そのことを可能にするために、この関数は二つの部分に分けられた。第一の部分は、制御誤差が大きい場合に対数関数的な推移をする。そして、第二の部分は、制御誤差Ｆが小さい場合に指数関数的な推移をする。第一と第二の部分の間の移行は、ρの位置で行われ、この位置では、一つの連続的な関数が得られるように二つの部分の勾配が同じになる。
【００７８】
従って、コントローラにより算出される操作量Ｙは、Ｙ＝Ａ＋Ｒ＝Ａ＋ＹＰ＋ＹＩとなる。ここで、比例部分ＹＰと積分部分ＹＩを用いることは有利であるが、必須ではないことを補足しておきたい。比例部分ＹＰだけを用いることも、積分部分ＹＩだけを用いることもできる。更に、操作量Ｙにおいて減衰係数ＹＤｆを考慮することもできる。この減衰係数ＹＤｆは、調温ユニット３の過熱を防止するために、第一の減衰係数ＹＤｆ１（例えば、経験値）を含むことができる。更に、この減衰係数ＹＤｆは、例えば最大値減衰の原理（Ｐｒｉｎｚｉｐ  ｄｅｒ  Ｍａｘｉｍａｌｗｅｒｔｄａｅｍｐｆｕｎｇ）に従って目標値のオーバーシュートも減衰することが可能な第二の減衰係数ＹＤｆ２を含むこともできる。そして、減衰係数ＹＤｆがＹＤｆ＝ＹＤｆ１・ＹＤｆ２として得られる。二つの減衰係数は任意選択的に互いに無関係に用いることができる。減衰係数ＹＤｆを使用した場合、算出される操作量Ｙは；
【００７９】
【数１５】
2018520436.tif 000017
【００８０】
となる。特別に構成された調温ユニット３との組み合わせでこのコントローラを用いると、所望の温度を高精度に制御することができ、媒体の動的な流量において消費量値（質量流量、体積流量）を正確に決定するための前提条件である高い温度安定性を実現することができる。
【００８１】
ここで、上述した制御が具体的な用途に依存しないことを補足しておきたい。この制御をガス状媒体の消費量測定と関連して述べたが、この調温ユニット３は、ここで述べたような手法で広く一般的に制御することができ、従って、媒体の温度を調整すべきそれ以外の用途にも、特に液状媒体にも適している。これが可能であるのは、特に、任意の温度に対して、つまり調温ユニット３の後の温度Ｔ１に対しても制御が可能だからでもある。
【００８２】
また、このコントローラを用いて、出力圧力ｐａ又は入力圧力ｐｅに応じて、また流量Ｖ・に応じても、目標温度Ｔｓｏｌｌの温度推移又は温度特性曲線を従わせることもできる。例えば然るべき特性曲線を用いて、流量Ｖ・への出力圧力ｐａの依存性に倣うこともできる。流量Ｖ・が出力圧力ｐａ又は入力圧力ｐｅに依存する場合、コントローラによる圧力制御によって、所望の流量Ｖ・も設定することができる。従って、このコントローラを用いることで、例えば、車両に用いられる形態での本来の構成をシミュレーションすることも、さらに車両による走行をシミュレーションすることもできる。
【００８３】
ここで、目標温度Ｔｓｏｌｌとして、消費量測定装置１内のいずれの温度を使用することもできるし、消費量測定装置１の外の温度を使用することもできることを再度補足しておきたい。とはいえ、出力温度Ｔａが目標温度Ｔｓｏｌｌとして制御されるのが有利である。同様に、消費量測定装置１における出力圧力ｐａを測定するか、さもなければ、その装置の外、例えば、消費体６の近くを測定することもできる。
【００８４】
ここで述べた制御は、温度差を利用した制御にも、加熱と冷却の間を切り換える制御にも適している。温度調節ユニット２３として熱電気式モジュールを使用した場合、操作量Ｙの符号が変化した時に供給電圧が転極される。この操作量Ｙは、有利には、上述した通り領域［−１，１］に正規化される。
【００８５】
水素をガス状媒体とした場合、水素は、圧力制御ユニット４での減圧によって加熱されることとなる。この場合、調温ユニット３を用いて冷却するか、或いは加熱するかは、入力温度Ｔｅに依存する。同じことが、基本的に液状媒体にも言える。
【００８６】
冷却を補助するために、例えば、冷媒が貫流する冷却配管２７の形態の追加の冷却機器２６を調温ユニット３の緩衝蓄熱部２１に配備することもできる。そのときには、上記制御は、冷却機器２６の制御の分だけ拡張すればよく、その制御により、冷却機器２６を用いた能動的な冷却が考慮される。このとき、この制御により、例えば冷媒の流量（例えば制御弁によるか或いは圧力による）；
【００８７】
【数１６】
2018520436.tif 000018
【００８８】
及び／又は温度ＴＫを変化させることで冷却機器２６が制御される。そのために、この制御では冷却機器２６を駆動するための操作量ＹＣが算出される。この場合、能動的な冷却の制御は、好適にも所定の特性を持つことになる。冷却機器２６を用いた能動的な冷却がベース負荷を引き受けることになるとともに、温度調節ユニット２８が擾乱を極めて動的に制御する役割を果たすことになる。ただしこの場合、なんとか温度調節ユニット２８がいつも冷却負荷の一部を引き受けるようにして、温度調節ユニット２８がゼロ点周りで動作（これは冷却と加熱の間の絶え間の無い切り換えを引き起こす可能性がある）させられなくても済むようにしなければならない。ペルチェ素子を温度調節ユニット２８とする場合、それは絶え間の無い転極を意味し、そのことが、ペルチェ素子にダメージを与える続ける可能性もある。この他にも、ゼロ点周りの動作によって、調温ユニット３の制御に関する緩衝蓄熱部の利点も失われる。とりわけ、能動的な冷却の制御は、出来る限り調温ユニット３の制御からも切り離されて、調温ユニットの制御に不利な影響を与えないようにするべきである。
【００８９】
これらの要件を満たすために、温度差ΔＴＫを指数関数的に取り入れたコントローラを設計する。この場合、制御される温度差ΔＴＫは、有利には緩衝蓄熱部２１の側（伝熱面２５）における温度調節ユニット２８の（測定可能な）温度ＴＴＥと冷媒の実際温度ＴＫの差として定義される。ゼロ点周りの温度調節ユニット２８の動作を防止するために、所定の不感帯域ＴＴｏｔｂを定義することもでき、それにより、温度調節ユニット２８の温度が補正される。従って、温度調節ユニット２８の補正された温度ＴＫＨが、ＴＫＨ＝ＴＴＥ−ＴＴｏｔｂとなり、温度差ΔＴＫが、ΔＴＫ＝ＴＫＨ−ＴＫとなる。こうして、冷却機器２６のための操作量ＹＣＰを以下の通り算出するＰコントローラの設計を行うことができる；
【００９０】
【数１７】
2018520436.tif 000019
【００９１】
ここで算出されるＨは、再びヘビサイド関数であり、Ｙは調温ユニット３を制御するための操作量である。ＫＣＰはＰコントローラの利得である。
【００９２】
調温ユニット３の制御と冷却機器２６の制御の間が分離されていることを保証するために、冷却機器２６の制御の反応時間は、調温ユニット３の制御の反応時間よりも遅くした方がよいであろう。冷却機器２６の制御に所定の遅延時間を与えるために、フィルターＧを用いることができる。このフィルターＧは、入力信号として、冷却機器２６のための操作量ＹＣＰを取得して、フィルタリングされた操作量ＹＣＰＦを算出する。この操作量は、次に、冷却機器２６のための本来の操作量として使用され、即ちＹＣＰＦ＝Ｇ（ＹＣＰ）となる。
【００９３】
そのために、様々な周知のフィルターＧを用いることができる。これに関連して、画像処理より知られたガウスフィルターが有利であることが判明した。それは、そのようなフィルターが周知のようにオーバーシュートを持たず、最大の立ち上がり時間を有するからである。更に、限界周波数を上回る全ての周波数がこれにより減衰される。そのようなガウスフィルターは、十分に知られているので、ここではそれには詳しく立ち入らない。また、ガウスフィルターに基づく計算は複雑であり、計算負荷が大きいことが知られているが、このことは、制御用途には不利である。しかし、これに対しては、計算時間を最小化するために従来技術による解決アプローチが知られている。本例では、所謂離散的なガウスカーネル又はサンプリングされたガウスカーネルが考えられる。
【００９４】
緩衝蓄熱部において能動的な冷却を行う構成は、特に液状、さもなければ全くガス状の媒体に対して重要である。こうして、ペルチェ素子を温度調節ユニット２８とした場合、例えば−４０〜１５０℃の広い制御範囲が調温ユニット３に対して得られる。この場合、調温ユニット３は、制御範囲全体に渡って要求された性能を発揮することができ、それにも関わらず、極めて動的に、しかもいつも極めて厳密に温度を制御することもできる。
【００９５】
図５に基づき、ガス状媒体用の消費量測定装置１の有利な実施形態を説明する。このガス状媒体は、入力圧力ｐｅにより媒体供給部２に取り入れられ、入力配管１４と入力ポート１５を介して、消費量測定装置１に供給される。入力側では、さらにガスフィルター３０を消費量測定装置１の外又は中に配置することができる。このガス状媒体は、調温ユニット３で温度調節されて、それに続く圧力制御ユニット４で所望の減圧力ｐｒｅｄに減圧される。次に、この減圧されたガス状媒体は、消費量センサー５を貫流し、そのセンサーで、消費量（質量流量、体積流量）が測定される。消費量センサー５の下流側には、第二の圧力制御ユニット７が配置されており、そのユニットによって、所望の出力圧力ｐａが設定される。出力ポート１６を介して、調整されたガス状媒体が排出され、例えば、消費体６に供給される。
【００９６】
以下に述べる全ての機能及びコンポーネントは、制御ユニット１０も実装したコントロールユニット４０によって制御又は駆動制御される。組み込まれたセンサーもまた、その測定値をコントロールユニットに提供する。分かり易くするために、それに必要な図４のコントロール配管と測定配管は表示されていない。
【００９７】
ここでは、消費量センサー５として、順に並べて接続された二つ又はそれ以上のコリオリセンサー３１，３２が配備されている。これら二つのコリオリセンサー３１，３２は、異なる測定範囲を有する。そのため、測定対象の消費量に応じて、最適（測定精度の意味で）なコリオリセンサー３１，３２を接続することができる。これは、本例では第二のコリオリセンサー３２を迂回するようにバイパス配管３４内に配置されたバイパス切替弁３３によって行なわれる。ここでは、この切替弁３３は圧縮空気によって操作される。そのために、圧縮空気ポート３６を介して外部の圧縮空気供給部に接続されている圧縮空気用弁ブロック３５が設けられている。こうして、バイパス切替弁３３の操作によって、第二のコリオリセンサー３２を繋げたり切り離したりすることができる。二つのコリオリセンサー３１，３２を貫流させた場合、重なり合う測定範囲において、測定結果の妥当性検査が可能になり、これを自律制御のために使用することができる。
【００９８】
消費量測定装置１には、更に、オーバーフローポート３８と繋がったオーバーフロー配管３７が配備されている。このオーバーフロー配管３７は、消費量測定装置１内において、逃がし弁を介して、ガス状媒体用のガス流路に接続されている。従って、圧力が誤って高くなり過ぎることから消費量測定装置１を保護することができる。
【００９９】
消費量センサー５の下流には、ゼロ点調整弁３９が配置されている。これを用いて、消費量センサー５のゼロ点を点検することができる。これを行なうために、ゼロ点調整弁３９が閉鎖されて（ここでもやはり圧縮空気により制御される）体積流量がゼロの場合の消費量センサー５の測定値が評価される。測定値が所定の限界値を上回った場合、ゼロ点を設定するために内部センサー校正部を起動することができる。このようにして、消費量センサー５のゼロ点ドリフトに対処することができる。
【０１００】
図示された実施例では、更に、不活性ガスパージ部４１も消費量測定装置１に配備されている。そのために、不活性ガス切替弁４３を介して、消費量測定装置１を通るガス状媒体のガス流路と接続することができる不活性ガス蓄圧器４２が配備されている。この不活性ガス蓄圧器４２は、不活性ガスポート４４を介して充填することができる。もっとも、消費量測定装置１のパージに必要な不活性ガス（例えば、窒素）は、不活性ガスポート４４を介して直に供給してもよい。
【０１０１】
消費量測定装置１を不活性ガスでパージするために、入力側の遮断弁４５が閉鎖されて、出力側の出力切替弁４６がオーバーフロー配管３７に切り替えられる。それと同時に、不活性ガス切替弁４３が開放される。それにより、消費量測定装置１内に残っていて圧力がかかった状態にあるガス状媒体がオーバーフロー配管３７を介して排出される。圧力が十分に低下したら、逆止め弁４７が開放されて、不活性ガス蓄圧器４２が空になるまで、或いは所定期間、消費量測定装置１を不活性ガスでパージする。パージ後、消費量測定装置１は、好適には低めの正圧の不活性ガスで満たされて、安全な状態となる。この不活性ガスパージ部は、消費量測定装置１の安全性を高め、例えば、機器の停止時又は非常停止の場合に、作動させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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