CN101311686A - 热式质量流量计及其操作方法 - Google Patents

Abstract

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。质量流量计具有至少两个测量元件，它们浸入一个包含流动的介质的容器内，其中一个测量元件被加热。建议，沿介质的流动方向加热的测量元件至少暂时设置在未加热的测量元件之前并且未加热的测量元件至少暂时设置在加热的测量元件之前。

Description

热式质量流量计及其操作方法

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及其操作方法。

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4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：

$\stackrel{\·}{q}=\mathrm{\α}(T_o-T_F)$

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 $\mathrm{\α}=f\left(\mathrm{\ρv}\right)~\sqrt{\mathrm{\ρv}}.$ 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5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。

对这种热式质量流量测定的一个特点是传感器的微小的方向灵敏度。流动对传感器的冷却作用在第一近似中通过流速值确定而不通过其方向确定，从而其对测量信号只有一微小的影响。因此可以由任何方向实现向传感器的流动。这只导致测量信号的一轻微的变化并导致相应小的测量误差。其优点是，传感器不像例如通过安装公差引起的偏离于垂直入流的偏差那样灵敏地作出反应。并且因此热式流量传感器还经常构成尽可能对称的，以便进一步减小这样的测量误差。

但同时缺点是，利用一单作用的热式传感器不可能分辨出在管内的向前流动和向后流动。但在过程中经常由于外部的影响和系统中的不同的部件产生流动中的波动，从而流动不总是沿一个方向在传感器旁边流动，而也可能发生反流。这特别在低速流动时出现。由于传感器与流动方向无关地记录这样的流动，也将反流算作正的，这在小流动时可以导致大的错误测定并且在零通流时可以导致一流动的显示。因此流动的方向识别是必需的，以便避免这样的错误测定。

通常也在一优选方向校准传感器。其然后虽然在错开180°的安装中近似显示正确的值，从而错误的安装不可能立即识别一很异常的流量信号。由于错误安装产生的测量误差明显大于在正确的安装定向中的情况。在这一点上一方向识别也是一优点，以便在错误的安装位置立即产生一相应的错误报告。

由DE 33 04 710 A1已知，为了方向识别特别在零通流附近分析流动信号的特性并由此导出一符号变换。但对于该方法的前提是，存在传感器的应用方式的信息，以便对此可以构成一相应的模型。对一通用的流量计因此只很困难地实现这一点。在许多情况下各传感器也不相互连接，从而不存在其他的信息。因此也不能识别错误的安装位置。

类似地在DE 34 17 051 C2、DE 102 18 117 B4、DE 31 35 794 A1和DE 10 2004 039 543 A1中也采用一关于脉动发生器(在这里为内燃机)的一附加的外部信息，以便利用脉动使流量测定同步并且由此避免错误测定。缺点可与上述DE 33 04 710 A1的缺点相比。

为了独立于附加的外部的信息地识别流动方向，因此在EP 1 396709 A1中在一专门壳体中在流动内设置两个对流动灵敏的加热元件。将该壳体构成使得根据流动方向或一个或另一个加热器较强地由流动从周围冲刷并从而较强地冷却一个或另一个传感器。

利用该方法，独立的流动方向识别是可能的。但附加的壳体和附加的传感器对于传感器的制造和操作意味着显著较高的费用。

按照EP 1 291 622 A2的建议在可比较的方向起作用，其中采用只一个对流动灵敏的传感器。但该传感器位于一专门的传感器壳体内的一通道中，同时该通道具有一沿流入方向的进口和一在侧面离开壳体的出口，从而在通道进口上通过背压在通道中引起流动并且传感器因此只相对于一个方向的流动是灵敏的。

在DE 10 2005 019 614 A1中也通过一适当的壳体向传感器那边减缓和部分地阻止脉动的流体。但对于该方法传感器因需要的壳体是相当耗费的。

与上述的热式质量流量计相比，其中加热器的冷却用作为测量结果，而在量热学的热式质量流量计中自动地同时决定通流方向，如在EP 1 310 775 A1、WO 2004/018 976 A3和EP 1 452 838 A2中所示。在量热学的质量流量计中不同于上述原理不测量加热器的冷却，而两个温度传感器紧挨着加热器附近，一个在加热器上游和一个在其下游。在一流动中加热器的热量通过流动传向位于下游的传感器并且该传感器记录较高的温度。然后由位于上游的与位于下游的传感器之间的温度差可以确定流速。如果流动的流动方向改变则温度差的符号相应地相反并由此可以检测流动方向。

但该测量原理限于低的雷诺数的流动，亦即主要限于层流流动，因为由于流动中的紊流，热量被强烈地分布于流动中并且大大减小通过沿一个方向的热量的传输引起的测量结果，直到被完全掩盖。因此只可以测量在狭窄的通道中的缓慢的流动。对于较高的流体流量降低灵敏度并且在这一点上只可以使用相应的旁路解法。这些传感器通常也以一微小的热质量制造，以便可以迅速而灵敏地对流动作出反应，从而其构成相应小的和全银丝编织的。其因此与之相应地相对外部的机械影响是灵敏的。因此对于上述传感器的应用领域不适用于大的质量流量并且也不适用于在严厉的环境条件下使用并且总的来说不能用作为替代方案。

发明内容

因此本发明的目的在于，简化已知的热式质量流量计并且加强流动方向的可靠的识别。

按照本发明在结构上利用权利要求1的装置达到该目的。此外通过按照权利要求7的方法的步骤达到该目的。本发明的有利的实施形式说明于诸从属权利要求中。

本发明从一种热式质量流量计出发，其包括至少两个测量元件，它们浸入一个包含流动的介质的容器内，其中一个测量元件被加热。

为了对按照冷却原理的热式质量流量测量的方向进行检测，建议，将加热元件和传感器元件接连地沿流动方向设置并且轮流地作为加热器和传感器操作加热器和传感器。

在正常操作中，后面的元件用作为传感器用以测定流体温度，而前面的传感器作为加热器用于流动测定。为了确定流动方向现在阶段式浸入传感器和加热器并且前面的元件用作为加热器。通过一元件的加热现在在元件周围局部地加热流动并且该热量随流动继续传向第二元件，该第二元件测量流体温度。因此第二元件测量一较高的流体温度并且将在两种操作方式的温度之间的差异用于流动方向检测。

对此如同在量热学的质量流量计利用一可比较的结果，但放弃在加热器之前的第二温度传感器，因为在传感器变换之前应用由测定得到的流体温度。即使在高很多的流速下也工作，因为对于流量测定不需要高的分辨率，而只进行方向识别。

可以不仅静态地以一恒定的加热功率/温度，而且可以脉动地或以时间上变化的加热功率实现测定。后者的优点是，一在各测定之间的温度差可以归因于流动通过加热器的加热。由于因在加热器周围的紊流，施加的加热功率较快地分布于流动中并从而可达到的流动和随后的温度传感器的温升按照传感器的结构的间距可能是小的，在两传感器的温度测定中的误差可以影响方向识别。但如果利用脉动的或时间上变化的信号工作，此时在时间上变化的信号下加热功率的简单变化可以是已足够的，通过一在温度测定中的相应的模型识别，例如通过一观察加强，可以加强和可看到这些信号。

由于因传感器的惯性在传感器变换时必须保持一相应的等候时间并从而为一规定的时间必须中断流量测定，由此的优点是，方向识别只分散地插入测量过程中。特别合理的是，只在未知方向时或只在预期一方向变换时，亦即特别在低的通流速度时才实施该测定。在这一点上方法的灵敏度也是较高的。在方向识别合理的时刻，可以例如通过通流行为的分析来确定，如在DE 33 04 710 A1中所建议的。

为了因传感器变换在流量测定中保持尽可能短时的中断，也可以在方向识别过程中利用已调换的传感器实现一流量测定，即将新的加热器的加热功率/温度用于流量测定。此时为了流量测定必须实现一相应的温度补偿，因为当前的温度传感器当然在该测量模式中测量一提高的流体温度并从而显示较高的流量。但另一方面在流量测定中也可以这样利用该结果，即为了方向识别不采用提高的流体温度，而在已调换的加热器/传感器中的流量测定时采用该隔差。

如果利用一脉动的或时间上变化的加热功率工作，则甚至可以完全放弃传感器变换，因为加热器总是处在温度传感器之前。加热器轮流地以较高和较低的加热功率操作。从而不同程度地加热流体。在具有低加热功率的阶段中温度传感器近似接受未加热的流体的温度并且可以相应地确定基准温度。在具有高加热功率的阶段中实现方向识别。

由于即使在小的加热功率时也可以稍微影响用于基准温度的温度测定，则也可以借助一系统的模型对其校正，特别是如果例如利用一正弦波调制加热功率时，则可以在温度传感器中测量该正弦波的幅值并且由调制的加热功率的幅值与在温度传感器上测量的幅值之比可以接着确定有多少热量从加热器被传向温度传感器。利用该信息接着可以相应地校正温度测定。

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具有两个测量元件的测量装置的原理图；

图2具有三个测量元件的测量装置的原理图；

图3具有两对测量元件的测量装置的原理图；

图4热式质量流量计的原理图；

图5测量装置的原理图。

具体实施方式

图1中示出测量装置，其中沿流动方向V接连设置两个测量元件，它们用F/H和H/F标记。在正常操作中将沿预期的流动方向位于后面的测量元件作为传感器F操作，而将沿预期的流动方向位于前面的测量元件作为加热器H操作。为了确定实际的流动方向，将沿预期的流动方向位于后面的测量元件作为加热器H操作，而将沿预期的流动方向位于前面的测量元件作为传感器F操作。在两种操作方式中测量流量。由各测量值之差求得实际的流动方向。

图2中示出测量装置，其中沿流动方向V接连设置两个测量元件，它们用F₁/H₁和H₁/F₁标记。此外在沿第一和第二测量元件F₁/H₁和H₁/F₁的流动之外设置第三测量元件F₂/H₂。

在正常操作中将沿预期的流动方向位于后面的测量元件作为传感器F₁操作，而将沿预期的方向位于前面的测量元件作为加热器H₁操作。为了确定实际的流动方向，将沿预期的流动方向位于后面的测量元件作为加热器H₁操作，而将沿预期的流动方向位于前面的测量元件作为传感器F₁操作。在两种操作方式中测量流量。由各测量值之差求得实际的流动方向。对此将第三测量元件F₂/H₂作为传感器F₂操作用于流量测定。

此外可周期性短时加热第三测量元件F₂/H₂。同时将第三测量元件F₂/H₂作为加热器H₂操作。通过第三测量元件F₂/H₂的测量值与第一测量元件F₁/H₁和/或第二测量元件H₁/F₁的测量值的比较，识别因覆层引起的流量测定的变化，因为由于不同的加热时间在各测量元件上的沉积物的数量是不同的。

第三测量元件F₂/H₂可以定位在一任意的位置，只要其在加热的流动之外处在加热器H₁的后面即可。

在本发明的另一实施形式中，图3中示出测量装置，其中沿流动方向v接连设置两个测量元件作为第一对，它们用F₁/H₁和H₁/F₁标记。此外在沿第一和第二测量元件F₁/H₁和H₁/F₁的流动之外设置两个其他的测量元件作为第二对，它们用F₂和H₂标记。

在第一操作方式中将第一对的沿预期的流动方向位于后面的测量元件作为加热器H₁，而将第一对的沿预期的方向位于前面的测量元件作为传感器F₁操作。由此传感器F₁沿流动方向处在加热器H₁的后面并且测量提高的流体温度。第二对测量元件F₂和H₂沿预期的流动方向设置成使传感器F₂位于加热器H₂之前。

由第一对与第二对的测量值的比较求得实际的流动方向。与实际的流动方向无关，在一对中，传感器总是位于加热器之前，而在另一对中，传感器总是位于加热器的后面，从而在各对之间总是产生测量值差。

在第二操作方式中对调第一对的加热器H₁和传感器F₁的位置。现在两传感器F₁和F₂关于流动方向位于相应的加热器H₁和H₂的同一侧。

通过两种操作方式的变换在作为加热器操作的各测量元件上产生不同数量的覆层，因为将加热器H₂永久作为加热器操作，反之加热器H₁的功能分配给第一对的两个测量元件。通过加热器H₁和H₂的测量值的比较识别因覆层引起的流量测定的变化。

Claims (7)

1.热式质量流量计，包括至少两个测量元件，所述测量元件浸入一个包含流动的介质的容器内，其中一个测量元件被加热；其特征在于，沿介质的流动方向，加热的测量元件至少暂时设置在未加热的测量元件之前并且未加热的测量元件至少暂时设置在加热的测量元件之前。

2.按照权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，沿流动方向接连设置至少两个测量元件。

3.按照权利要求1和2之一项所述的质量流量计，其特征在于，所述至少两个测量元件是可轮流加热的。

4.按照上述权利要求之一项所述的质量流量计，其特征在于，设置一个第三测量元件并且设置在沿第一和第二测量元件的流动之外而且是可周期性短时加热的。

5.按照权利要求1至3之一项所述的质量流量计，其特征在于，一个第三测量元件和一个第四测量元件被设置，并且在沿第一和第二测量元件的流动之外沿流动方向接连设置，其中沿流动方向设置在后面的测量元件是可加热的。

6.用于操作热式质量流量计的方法，该质量流量计包括至少两个测量元件，所述测量元件浸入一个包含流动的介质的容器内，其中一个测量元件被加热；其特征在于，利用两个测量元件测量流量，将两个测量元件轮流阶段式加热；阶段式相互比较测量元件的测量值；以及由测量元件的测量值之间的偏差在接连的阶段中识别通流的流动方向。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，利用两对沿流动方向接连的测量元件测量流量，其中在每一对中加热正好一个测量元件并且加热的和未加热的测量元件沿流动方向的顺序在各对中是不同的；相互比较各对的测量值；以及由各对的测量值之间的偏差识别通流的流动方向。

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