CN101311685B

CN101311685B - 热式质量流量计

Info

Publication number: CN101311685B
Application number: CN200810100544XA
Authority: CN
Inventors: D·帕佩; R·胡克
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: US20080289410A1; CN101311685A; DE102007023824B4; US7650783B2; DE102007023824A1

Abstract

本发明涉及一种热的用以确定通过容器的材料流量的质量流量计。对此在支架上安装加热元件，其浸入一个包括流动的介质的容器中。本发明建议，支架分成两个不同热导性的区域，其支架主要具有一个高的热导性，在其上紧接着一个较小的热导性的短的区域，在该区域内设置加热元件。

Description

热式质量流量计

技术领域

本发明涉及一种热式质量流量计，用以确定通过容器的材料流量。

背景技术

这样的质量流量计很久以来是已知的。热式质量流量计的测量原理基于一安装在支架上的加热元件在其浸入一流动的流体时的冷却。流过加热元件的表面的流动吸收热量并因此冷却加热元件。结构和特性原则性示于图3中。流动吸收的热量对此取决于在表面与流体之间的温度差以及流动本身。这可以通过函数：

\overset{\cdot}{q} = α (T_{o} - T_{F})

来描述，其中

为带走的热量，(T_o-T_F)为温度差，α为比例常数。

比例常数α对此直接取决于流动并且是加热元件上的质量流密度的函数

如果现在在表面与流体之间的温度差以及为产生该温度差需要的加热功率是已知的，则因此可以由此确定经过加热元件的质量流量。

为了实际地实施这样一种热式质量流量测定，因此如图4中所示现在将两个温度传感器置于流动中，其中一个温度传感装置被加热并且用于流量测定。第二温度传感器用于流体温度T_F的测定。

对此总的来说纯静态地以一恒定的加热功率或一在加热器与流动之间的恒定的温度差实现测定。但在这方面也可以实现一脉动的操作，其以稍微较高的费用利用。

但对于全部这些测定重要的是，实现加热功率和温度差的很精确的测定。对此可以不直接测量传给流动的热量，而通过投入的电加热功率的测定来确定。但由于结构造成的，施加的电加热功率并不完全直接由传感器头传给流动，而是一部分热量流入传感器头的支架中并且从那里被传给周围环境或远离测量元件传给流动。由于该热流也进入质量流量的测定中，其直接影响测量结果并且在热式质量流量计的使用中构成大的误差源。部分地将其在质量流量计的校准中加以考虑。但由于其特别依赖于流动条件和温度条件在流动中强烈地波动，其也只能有条件地在校准中考虑并且仍构成大的误差源。因此为了开发一种热式质量流量计试图将该损失热流尽可能保持很小，以便由此获得尽可能精确的流动测定。

为了减小这样的影响因此通常在热式质量流量计的开发中试图将在流动中的直接的热流与在支架中的损失之间的比例尽可能调节成很大。亦即在加热器与流动之间产生很好的热接触并同时通过相应的绝缘减少流入支架的散热。US 5 880 365中指出一可能的实施形式。绝缘对此总的来看包围传感器头的整个支架，以便产生尽可能高的绝缘作用。

但由于对支架的机械要求限制可达到的绝缘。很好的绝缘是例如一充满空气的具有尽可能薄的壁厚的小管，因为气体比液体或固体具有明显较小的热导性。但由于支架通常遭受较高的压力并且也必须将传感器头牢固地保持在其位置上，限制壁厚的减小并且经常还要相应的稳定物装入支架中，例如以均匀的间距设置的短的实心圆柱体，因此降低绝缘作用。因此仍留下一剩余损失热流。

其他的方案因此涉及这样的方法，即测量在支架中的一个或多个位置上的温度。紧接着借助于支架和传感器头的理论模型算出损失热流并且在质量流量确定中考虑。但该方案为此需要一个或多个附加的温度测定，它们不仅在传感器头中而且在连接的电子装置中产生较高的费用和相应的成本。

在这里另一缺点是，理论上可以很好地描述支架的热导，但大部分热量沿支架表面传给流动。该传给的热量直接取决于局部的温度和流体在支架周围的流速，它们通常只是很不精确地知道的。特别在壳体与流体之间很大温度差时难于确定，从而由此也限制可达到的精度。

发明内容

因此本发明的目的在于，改善已知的热式质量流量计的测量精度。

本发明实现一种热式质量流量计，包括至少一个在支架上安装的加热元件，该加热元件浸入一个包含流动的介质的容器内；其特征在于，支架分成不同热导性的两个区域，其中支架主要具有一个高的热导性，在其上紧接着一个较小热导性的短的区域，在该区域内设置加热元件。

为了现在提高测量方法的精度而无上述限制，因此现在建议，不通过传感器头的尽可能好的绝缘减小损失热流，而将绝缘限于在传感器头附近的短的区域内并且将支架的其余部分构成可良好传导的，在这里调节虽然较高的但恒定的或可简单算出的热流。如果损失热流是已知的，因为它是恒定的或易于确定的，则可以将其在质量流量的确定中类似于在上述方法中考虑或已直接进入传感器的校准中。通过支架与壳体之间的良好的热接触，支架因此也近似于壳体的温度，从而将加热的传感器头的热量与流动的热交换限于传感器头和绝缘的区域内，该区域同样导致支架中的较稳定的热流条件。

有利的是，支架的高热导性的区域与容器热连接。

有利的是，支架的高热导性的区域与容器是绝热的。

有利的是，支架具有一个基准传感器，该基准传感器设置在高热导性的区域内。

有利的是，支架由金属管构成，在金属管内部彼此绝缘地设置多个用以连接在加热元件上的电导体。

有利的是，较高热导性的支架区段由金属管构成，在该金属管中相对该金属管气体绝缘地设置加热元件的连接导线。

有利的是，加热元件的连接导线相对金属管是空气绝缘的。

有利的是，金属管由合金的不锈钢构成。

附图说明

以下借助一个实施例更详细地说明本发明。对此需要的附图显示：

图1温度分布的图解图；

图2用于热流和热阻的等效电路图；

图3热式质量流量计的原理图；

图4测量装置的原理图。

具体实施方式

图1中描述支架中的要求的温度分布。加热的传感器头与壳体之间的温降几乎只由短段的绝缘进行，而其他的区域处在一至少可近似确定的恒温下。

因此该发明的原理是，通过沿大部分的支架的尽可能高的传导率形成恒定的和可算出的温度和在支架内的热流比例并且将绝缘限于在传感器头附近的小区域内。

支架处在壳体温度上的布置的另一优点是，壳体温度是较容易接近的并且不必在支架中集成附加的温度传感器。部分地通过电子装置温度的测定已可以得出关于壳体温度的结论。或将支架经由另一直接在壳体上的绝缘与壳体热分开并且具有一平均的流体温度。其在第一近似中相当于由基准传感器测量的温度。

采用的材料的热导率以及为热导性提供的有效的横截面进入支架的热导性中。因此有利的是，完全用一可良好传热的材料填充支架，以便达到一尽可能大的传导的横截面。固体的和液体的材料适于作为热导体，因为它们的热导性明显大于气体。亦即支架应该是实心的或用液体或粉末填充的并且没有空隙。液体的或粉末状的材料对此优点是，它们可完全填满横截面。不导电的材料为制造这些的支架具有另一优点，因为它们同时用作为加热器的电连接线的绝缘并且不需要电线的附加的绝缘。一完全填满的支架的另一优点是高的抗压强度和高的机械稳定性。

图2中描述在这样的支架中的热流和温度。实际的测量流量是热流量但如果测量电功率

则由此在质量流量确定中产生

的误差。由此得出损失流为：

{\overset{\cdot}{Q}}_{v} = \frac{(T_{S} - T_{G}) + (T_{S} - T_{F}) R_{H} / R_{F}}{R_{I} (1 + R_{H} / R_{F}) + R_{H}}

假定R_H＜＜R_I，这是本发明的核心，则得出损失流近似为：

{\overset{\cdot}{Q}}_{v} = \frac{T_{S} - T_{G}}{R_{I}} + \frac{T_{S} - T_{F}}{R_{I}} \frac{R_{H}}{R_{H} + R_{F}}

在测定过程中确定或估计T_S和T_G，R_I是恒定的并且在校准中求得。因此表达式的第一项是已知的并且可以在计算质量流量时同时考虑。但在支架的区域内的流体温度和在那里的导热系数进入第二项中，它们在测定过程中连续变化并且不能确定。因此它们在确定质量流量时不能考虑并因此在质量流量测定中产生误差、对于该误差因此得出：

\frac{Δ \overset{\cdot}{m}}{\overset{\cdot}{m}} ~ \frac{T_{S} - T_{F}}{T_{S} - T_{R}} \frac{R_{H}}{R_{I}} \frac{R_{S}}{R_{H} + R_{F}}

温度比例在这里约在0.5-1的范围内并且由外部的条件产生。为了降低相对的误差因此必须相应地选择电阻比。电阻R_H至R_I反比于其热导性并且因此在给定的几何条件下误差变为：

\frac{Δ \overset{\cdot}{m}}{\overset{\cdot}{m}} ~ \frac{λ_{I}}{C + λ_{H}}

其中包括一取决于外部的流动的值C。在这一点上表明，首先可以通过绝缘区域内尽可能小的传导性减小质量流量确定中的误差，但特别也可通过一在支架区域内大大提高的热导性来减小。如果λ_H＞＞C，则直接由比例λ_I/λ_H确定误差。

支架基本上由一金属管构成。在金属管的内部设置彼此绝缘的连接导线，它们连接于加热元件。在本发明的优选的实施形式中绝缘由挤压的金属氧化物构成。在金属管的伸进容器的一端上设置与金属管绝热的加热元件。

高热导性的支架区段由一金属管构成，在其中相对金属管气体绝缘地设置加热元件的连接导线。在本发明的特别有利的实施形式中，加热元件的连接导线相对金属管是空气绝缘的。在本发明的另一实施形式中，金属管由一合金的不锈钢构成。

Claims

1.热式质量流量计，包括至少一个在支架上安装的加热元件，该加热元件浸入一个包含流动的介质的容器内；其特征在于，支架分成不同热导性的两个区域，其中支架主要具有一个高的热导性，在其上紧接着一个较小热导性的短的区域，在该区域内设置加热元件。

2.按照权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，支架的高热导性的区域与容器热连接。

3.按照权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，支架的高热导性的区域与容器是绝热的。

4.按照权利要求3所述的质量流量计，其特征在于，支架具有一个基准传感器，该基准传感器设置在高热导性的区域内。

5.按照权利要求1至4之一项所述的质量流量计，其特征在于，支架由金属管构成，在金属管内部彼此绝缘地设置多个用以连接在加热元件上的电导体。

6.按照权利要求1至4之一项所述的质量流量计，其特征在于，高热导性的支架区段由金属管构成，在该金属管中相对该金属管气体绝缘地设置加热元件的连接导线。

7.按照权利要求6所述的质量流量计，其特征在于，加热元件的连接导线相对金属管是空气绝缘的。

8.按照权利要求6所述的质量流量计，其特征在于，金属管由合金的不锈钢构成。

9.按照权利要求7所述的质量流量计，其特征在于，金属管由合金的不锈钢构成。