CH704582A1 - Durchflussmesser. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Flussgeschwindigkeit einer Flüssigkeit, auf thermischem Weg. Durch Aktivieren eines Heizelements (2) während einer vorbestimmten Zeitdauer (Heizimpuls) wird eine kurzzeitige Temperaturerhöhung erzeugt. Der zeitliche Verlauf der Temperatur wird mittels eines Temperatursensors (1) gemessen. Aus der Temperaturkurve wird eine Abklingdauer (t, t´) ermittelt, wobei die Abklingdauer ein Mass für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Umgebung des Heizelements (2) bzw. des Temperatursensors (1) ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Messen sehr kleiner Flussgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten durch ein Trägermaterial im Bereich von wenigen Millimetern pro Stunde, wie sie beispielsweise bei Sickerwasser im Erdreich auftreten.

Description

[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messtechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Flussgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, auf thermischem Weg. Die Erfindung betrifft insbesondere das Messen sehr kleiner Flussgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten durch ein Trägermaterial im Bereich von 1-300 Millimetern pro Stunde, wie sie beispielsweise bei Sickerwasser im Erdreich auftreten. Die Erfindung erlaubt auch eine einfache Anpassung des Sensors an bestimmte Geschwindigkeitsbereiche.

[0002] In der Geologie, Hydrologie, Bergbau und Ökologie gibt es Problemstellungen, bei der die Geschwindigkeit von Sickerwasser einen wesentlichen Faktor zur Bestimmung einer Bedrohungslage darstellt. Beispiele dafür sind Flussdeiche und Dämme, rutschgefährdete Hänge, aber auch Deponien.

[0003] Die Messung von Flussgeschwindigkeiten im Bereich von wenigen Millimetern pro Stunde ist mit herkömmlichen Methoden nicht möglich, da z.B. ein Turbinenrad als Zählmittel nicht in Frage kommt. Daneben sind Durchflussmesser für Gase auf der Basis thermischer Messungen bekannt, bei denen ein Heizelement bei gleichzeitiger Messung der Temperatur permanent erwärmt wird, während ein zweites Element die Basistemperatur des umgebenden Mediums misst. Die Temperatur des Heizelementes wird durch ein strömendes Medium erniedrigt, wobei die Temperaturreduktion von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig ist.

[0004] Beispiele für solche thermischen Verfahren sind in der EP-A 0 501 431, EP-A 172 025 und EP-A 1 816 446 beschrieben. EP-A 0 501 431 betrifft einen Sensor zur Messung sehr geringer Flüsse, bei dem das Medium kontinuierlich auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und entlang eines bestimmten Wegs am Sensor vorbei geführt wird. Die Temperatur an verschiedenen Stellen des Weges wird kontinuierlich gemessen. Die Temperaturdifferenz ist ein Mass für die Flussgeschwindigkeit. EP-A 172 025 betrifft einen Sensor, bei dem ein Heizelement einen Temperaturfühler kontinuierlich erwärmt, wobei die thermische Kopplung durch den Materialfluss beeinflusst wird. Durch eine elektronische Schaltung wird realisiert, dass die Temperatur des Heizelements bei grossem Materialfluss (schlechter Wärmeübertragung auf den Temperaturfühler) steigt und bei geringem Materialfluss sinkt. EP-A 1 816 446 betrifft ebenfalls die permanente Auswertung von Temperaturdifferenzen an verschiedenen Messpunkten im Sensor.

[0005] Die bekannten Strömungsmesser werden fast ausschliesslich für Gase verwendet. Die minimale Flussgeschwindigkeit ist begrenzt, d.h. sie sind für sehr geringe Flussraten nicht sensibel genug. Problematisch ist neben der geringen Sensitivität auch der kontinuierliche Betrieb des Heizelements und der damit verbundene Energieverbrauch. Dies macht sie für den Einsatz in Anwendungen, wie sie oben beschrieben wurden, nicht geeignet. Durch das kontinuierliche Aufheizen können ausserdem Konvektionsströme entstehen, die das Messergebnis verfälschen.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Flussgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, zur Verfügung zu stellen, bei dem diese Probleme nicht auftreten. Insbesondere soll das Verfahren bzw. der Sensor für geringe Flussgeschwindigkeiten im Bereich von wenigen Millimetern pro Stunde geeignet sein und einen geringen Energieverbrauch aufweisen.

[0007] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch einen Flusssensor mit den Merkmalen von Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

[0008] Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Aktivieren eines Heizelement während einer vorbestimmten Zeitdauer und dadurch Erzeugen einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung in der Umgebung des Heizelements (Heizimpuls); Messen der Temperatur in der Umgebung des Heizelements als Funktion der Zeit (Temperaturkurve) mittels eines Temperatursensors; Auswerten der Temperaturkurve zum Bestimmen einer Abklingdauer, wobei die Abklingdauer ein Mass für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Umgebung des Heizelements bzw. des Temperatursensors ist.

[0009] Der erfindungsgemässe Flusssensor umfasst wenigstens ein Heizelement und wenigstens einen Temperatursensor, die im Anwendungsfall der Flüssigkeit ausgesetzt sind, sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist imstande, das Heizelement während einer vorbestimmten Zeitdauer zu aktivieren (Heizimpuls), vom Temperatursensor gemessene Temperaturdaten als Funktion der Zeit (Temperaturkurve) zu erfassen und aus der Temperaturkurve eine Abklingdauer zu bestimmen, welche ein Mass für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Umgebung des Heizelements bzw. des Temperatursensors ist.

[0010] Die Erfindung basiert auf kurzer, impulsartiger Erwärmung des Sensors und auf der Auswertung des zeitlichen Verhaltens der gemessenen Temperatur (Temperaturkurve). Die Temperaturkurve ist charakteristisch für einen bestimmten Durchfluss einer Flüssigkeit, so dass Abklingdauer und Fluss beispielsweise durch Kalibriermessungen zueinander in Beziehung gesetzt werden können. Das Verfahren ist bei Flüssigkeiten insbesondere bei den eingangs genannten geringen Flussgeschwindigkeiten von wenigen Millimetern pro Stunde sensitiv. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass keine permanente Ansteuerung benötigt wird. Der Sensor kann daher auch in energetisch autonomen, d.h. mit Batterien betriebenen, Messsonden eingesetzt werden. Die Energieversorgung für das Heizelement und den Temperatursensor wird zwischen zwei Messungen vorzugsweise abgeschaltet.

[0011] Vorzugsweise wird ein erster Temperaturwert vor dem Heizimpuls und ein zweiter Temperaturwert unmittelbar nach Ende des Heizimpulses gemessen. Aus beiden Temperaturwerten wird anhand vorgegebener Kriterien ein Temperaturschwellwert bestimmt, z.B. die erste Temperatur plus einen bestimmten Prozentsatz der gemessenen Temperaturdifferenz. Die Abklingdauer ist beispielsweise diejenige Zeit, innerhalb derer die gemessene Temperatur nach Ende der Aufheizphase wieder unter den Temperaturschwellwert abgesunken ist. Die Temperatur wird nach Ende des Heizimpulses beispielsweise kontinuierlich oder in regelmässigen Abständen, die um ein Vielfaches kleiner als die typische Abklingdauer sind, gemessen, um das Absinken unter den Temperaturschwellwert möglichst genau zu erfassen.

[0012] In der Aufheizphase werden vorzugsweise nur geringe Energiemengen abgegeben, die zu keiner permanenten Aufheizung der Umgebung (Sensor, Flüssigkeit und/oder Trägermaterial, z.B. Erdreich) führen, sondern zwischen zwei Flussmessungen weitgehend dissipieren. Vorzugsweise werden Flussmessungen in zeitlichen Abständen durchgeführt, die deutlich grösser als ein Vielfaches der Abklingdauer sind. Die Messungen können regelmässig oder auf Anforderung durchgeführt werden.

[0013] Vorzugsweise dauert die Aufheizphase nur wenige Sekunden, z.B. 3 bis 20 Sekunden, vorzugsweise 5 bis 10 Sekunden. Das Heizelement kann auch so lange aktiviert werden, bis durch den Temperatursensor eine vorgegebene Temperaturerhöhung von 1 bis 8 °C, vorzugsweise 1 bis 3 °C, gemessen wird. Der Temperatursensor und das Heizelement sind vorzugsweise thermisch direkt miteinander gekoppelt, z.B. indem sie sich in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander befinden. Der Temperatursensor wird dann durch das Heizelement direkt erwärmt. Der Temperatursensor ist der Flüssigkeit direkt oder indirekt ausgesetzt und wird daher je nach Flussgeschwindigkeit mehr oder weniger schnell abgekühlt.

[0014] Der Temperatursensor misst die Temperatur oder eine dazu proportionale Grösse, z.B. Strom/Spannung an einem temperaturabhängigem Widerstand. Das Heizelement ist beispielsweise ein Heizwiderstand. Die beiden Funktionen Heizen und Temperaturmessung können auch in ein gemeinsames Bauteil integriert sein.

[0015] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen rein schematisch: <tb>Fig. 1<sep>einen Flusssensor; <tb>Fig. 2<sep>den zeitlichen Verlauf der Temperatur in und nach der Aufheizphase: <tb>Fig. 3<sep>einen Flusssensor mit einer Schutzhülse; <tb>Fig. 4<sep>einen Flusssensor mit einem Gehäuse, das zur Erhöhung der Sensitivität dient.

[0016] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flusssensors 20. Auf einer Leiterplatte 3 sind ein Heizelement 2, hier ein Heizwiderstand, und ein Temperatursensor 1 angeordnet und mittels eines Überzugs 5 aus Kunststoff gegenüber Korrosion geschützt. Die Oberfläche des Kunststoffüberzugs 5 wird wenigstens teilweise dem strömenden Medium ausgesetzt, so dass der Temperatursensor 1 zumindest indirekt davon beeinflusst ist. Das Heizelement 2 ist nahe dem Temperatursensor 1 angeordnet. Die beiden Elemente befinden sich beispielsweise an einander korrespondierenden Stellen auf der Vor- und Rückseite der Leiterplatte 3. Der Temperatursensor 1 ist beispielsweise ein Heissleiter (NTC), Kaltleiter (PTC) oder ein Thermoelement. Die Anordnung ist über ein Kabel 4 oder eine andere geeignete Verbindung mit einer entsprechenden Steuer- und Auswerteeinheit sowie einer Energieversorgung verbunden, die hier nicht gezeigt sind.

[0017] Fig. 2 zeigt schematisch die Temperaturentwicklung (Temperaturkurve T als Funktion der Zeit t) bei der Durchführung des Verfahrens sowie die Bestimmung der Abklingzeit, die ein Mass für den Fluss ist. Das Heizelement 2 wird ausgehend von der Umgebungstemperatur T1 zum Zeitpunkt t1 für wenige Sekunden lang um einige wenige Grad, z.B. ca. 1-3°C, erwärmt. Dieser Heizimpuls vorgegebener Dauer t2-t1verursacht einen Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur T1 auf die Temperatur T2 (aufsteigender Ast 6 der Temperaturkurve). Diese Aufheizphase endet zum Zeitpunkt t2. Nach der Aufheizphase wird die Peaktemperatur T2 und die weitere Temperaturentwicklung mittels des Temperatursensors 1 gemessen und dadurch die Abkühlkurve ermittelt (absteigender Ast 7, T der Temperaturkurve). Die Temperatur kann kontinuierlich oder auch diskret gemessen werden. Dabei wird jene Zeit bestimmt, die es braucht, um vom Zeitpunkt t2 auf einen festlegbaren Bruchteil der ursprünglichen Temperaturerhöhung abzukühlen. Die Abkühlkurve 7 zeigt den Fall einer schnellen Abkühlung, bei der der Temperaturschwellwert T3 zum Zeitpunkt t3 unterschritten wird. Die Kurve 7 ́ zeigt einen Fall mit langsamerer Abkühlung, bei der der Temperaturschwellwert T3 zum Zeitpunkt t4 unterschritten wird.

[0018] Der Temperaturschwellwert T3 berechnet sich beispielsweise wie folgt: T3 = T1+a(T2-T1), wobei a eine Zahl zwischen 0 und 1 ist und vorzugsweise im Bereich zwischen 0.1 und 0.4 liegt. Die Abklingdauer ist diejenige Zeit t3-t2bzw. t4-t2, nach der T3unterschritten wird. Nach Erreichen des Temperaturschwellwerts T3 kann die Temperaturmessung bis zur nächsten Flussmessung beendet werden.

[0019] Die Abkühlkurve reagiert extrem sensibel auf Änderungen des Wärmeflusses. Befindet sich der Sensor in einem stehenden Medium, dann wird sich dieser langsamer abkühlen, als wenn sich das Medium bewegt, da damit der Wärmeaustausch beträchtlich erhöht wird. Damit kann im Prinzip bereits ein Durchflusssensor für sehr kleine Flussraten realisiert werden.

[0020] In der Praxis hat sich erwiesen, dass sich in einem stehenden Medium Konvektionsströmungen um den Sensor herum ausbilden, die zu einer Reduktion der Empfindlichkeit führen. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Sensor einerseits von Konvektionsströmungen geschützt, andererseits aber einer zu messenden Strömung ausgesetzt wird. Dies kann durch eine Schutzvorrichtung 8 bewerkstelligt werden, die beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Die Schutzvorrichtung 8 hat hier die Form einer zylindrischen Hülse, die an einem Ende ein Fenster 12 aufweist und ansonsten geschlossen ist. Das Ende des Sensors, an dem sich das Heizelement 2 und der Temperatursensor 1 befinden, ist in der Nähe des Fensters 12 angeordnet. Das Fenster 12 ist beispielsweise gebildet, indem die zylindrische Hülse relativ zur Zylinderachse 13 schräg angeschnitten ist. Der Sensor wird bei der Anwendung so orientiert, dass das strömende Medium senkrecht zur Zylinderachse 13 auf die Schutzvorrichtung 8 trifft, wobei sich das Fenster 12 entgegen der Strömungsrichtung (symbolisiert durch einen Pfeil) orientiert ist. Auf diese Weise können Flüsse auch richtungsabhängig gemessen werden. Die in Fig. 3 gezeigten Lagen von Temperatursensor 1 und Heizelement 2 können auch vertauscht sein.

[0021] Selbstverständlich sind auch andere Formen des Konventionsschutzes möglich.

[0022] Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der ein Sensor gemäss Fig. 3zusätzlich in ein Schutzrohr 9 eingebaut ist. Auf die Hülse 8 kann in diesem Fall verzichtet werden, da die Funktion der Hülse 8 durch das Schutzrohr 9 übernommen wird.

[0023] Sensoren gemäss der Erfindung sind in der Lage, die Geschwindigkeit des Sickerwassers zu messen. Für eine solche Anwendung müssen sie direkt ins Erdreich eingebettet werden können. Dazu sollte der Sensor vor Verschmutzung weitestgehend geschützt werden. Zu diesem Zweck kann er, wie Fig. 4 zeigt, in ein zur Achse 13 des Sensors 20 senkrecht angeordnetes Schutzrohr 9 eingebaut werden. Das Schutzrohr 9 hat eine Eintrittsöffnung 9a und eine Austrittsöffnung 9b, die durch einen Kanal 9c miteinander verbunden sind. Der Sensor, der beispielsweise wie in Fig. 3 gezeigt ausgebildet ist, ist so im Kanal 9c angeordnet, dass das Heizelement 2 und der Temperatursensor 1 von der Flüssigkeit umströmt werden.

[0024] Der Kanal 9c verjüngt sich vorzugsweise von der Eintrittsöffnung 9a zum Sensor hin. Der dadurch gebildete konische Einlauf 11 führt zu einer Erhöhung der Flussgeschwindigkeit im Bereich des Sensors und demnach zu einer Steigerung der Sensitivität des Sensors.

[0025] Durch Variation der Grösse der Eintrittsöffnung 9a bzw. der Form des konischen Einlaufs 11 kann die Sensitivität des Sensors über grosse Messbereiche angepasst werden. Wird eine grosse Eintrittsöffnung 9a verwendet, so wird die Fliessgeschwindigkeit im Bereich des Sensors hoch sein, selbst wenn in der Umgebung eine sehr niedrige Fliessgeschwindigkeit herrscht. Umgekehrt können auch höhere Fliessgeschwindigkeiten sicher gemessen werden, wenn eine kleine Eintrittsöffnung gewählt wird. Durch die Gestaltung von beispielsweise drei verschieden gestalteten Schutzrohren 9, die austauschbar am eigentlichen Sensor 20 befestigt werden können, kann man je nach Bedarf aus drei verschiedenen Messbereichen auswählen.

[0026] Damit der Sensor nicht verschmutzt, ist die Eintrittsöffnung 9a durch ein Filter 10, abgedeckt. Das Filtersieb 10 ist so gestaltet, dass es der Porengrösse des umgebenden Erdreiches nahe kommt. Es besteht beispielsweise aus einem feinen Stahlsieb. Damit wird erreicht, dass der Sickerfluss durch das Filter 10 nur unwesentlich beeinflusst wird. Eine etwaige Abbremsung des Sickerflusses stellt bei den erwarteten geringen Geschwindigkeiten kaum ein Problem dar.

Claims (14)

1. Verfahren zur Messung der Flussgeschwindigkeit einer Flüssigkeit auf thermischem Weg, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Aktivieren eines Heizelements (2) während einer vorbestimmten Zeitdauer (Heizimpuls) und dadurch Erzeugen einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung in der Umgebung des Heizelements (2); - Messen der Temperatur (T) in der Umgebung des Heizelements (2) als Funktion der Zeit (Temperaturkurve) mittels eines Temperatursensors (1); - Auswerten der Temperaturkurve zum Bestimmen einer Abklingdauer (t, t’), wobei die Abklingdauer ein Mass für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Umgebung des Heizelements (2) bzw. des Temperatursensors (1) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Temperaturwert (T1) vor dem Heizimpuls und ein zweiter Temperaturwert (T2) unmittelbar nach Ende des Heizimpulses gemessen wird, dass aus erstem und zweitem Temperaturwert (T1; T2) ein Temperaturschwellwert (T3) bestimmt wird und dass die Abklingdauer (t, t’) diejenige Zeit ist, innerhalb derer die gemessene Temperatur unter den Temperaturschwellwert (T3) abgesunken ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (1) durch das Heizelement (2) erwärmt wird, indem Temperatursensor (1) und Heizelement (2) thermisch direkt miteinander gekoppelt sind.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) für 3 bis 20 Sekunden, vorzugsweise 5 bis 10 Sekunden, erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) so lange betrieben wird, bis durch den Temperatursensor (1) eine Temperaturerhöhung von 1 bis 8 °C, vorzugsweise 1 bis 3° C, gemessen wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flussmessungen in zeitlichen Abständen durchgeführt werden, die deutlich grösser als ein Vielfaches der Abklingdauer sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversorgung für das Heizelement (2) und den Temperatursensor (1) zwischen zwei Flussmessungen abgeschaltet wird.

8. Flusssensor (20) zur Messung der Flussgeschwindigkeit einer Flüssigkeit auf thermischem Weg mit wenigstens einem Heizelement (2) und wenigstens einem Temperatursensor (1), wobei der Temperatursensor (1) und/oder das Heizelement (2) im Anwendungsfall der Flüssigkeit ausgesetzt sind, sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-und Auswerteeinheit imstande ist, - das Heizelement (2) während einer vorbestimmten Zeitdauer zu aktivieren (Heizimpuls); - vom Temperatursensor (1) gemessene Temperaturdaten als Funktion der Zeit (Temperaturkurve) zu erfassen; - aus der Temperaturkurve eine Abklingdauer (t, t’) zu bestimmen, welche ein Mass für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Umgebung des Heizelements (2) bzw. des Temperatursensors (1) ist.

9. Flusssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (1) und das Heizelement (2) thermisch direkt miteinander gekoppelt sind und sich insbesondere in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander befinden.

10. Flusssensor nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Schutzhülle (8), welche den Temperatursensor (1) und das Heizelement (2) umgibt und wenigstens ein Eintrittsfenster (12) für die Flüssigkeit aufweist.

11. Flusssensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (9), das eine Eintrittsöffnung (9a), eine Austrittsöffnung (9b) und einen diese verbindenden Kanal (9c) aufweist, wobei der Temperatursensor (1) und/oder das Heizelement (2) im Kanal (9c) angeordnet sind.

12. Flusssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kanals (9c) sich von der Eintrittsöffnung (9q) zum Temperatursensor (1) bzw. Heizelement (2) hin verkleinert, so dass die Flussgeschwindigkeit der Flüssigkeit erhöht wird.

13. Flusssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 12, gekennzeichnet durch einen Filter (10), der wenigstens im Bereich der Eintrittsöffnung (9a) angeordnet ist und die Flüssigkeit durchlässt, nicht aber Feststoffe.

14. Verwendung eines Flusssensors nach einem der Ansprüche 8 bis 13 zur Messung der Flussgeschwindigkeit von Sickerwasser in einem Boden.