CN107110684B - 热流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定和/或监测被测介质的质量流量的热流量测量装置，包括具有带管壁(7、17、27)以及尤其被实施为电阻温度计(3、13、23、33)的至少第一和第二温度传感器元件的测量管(2、12、22)的传感器元件(1、11、21)，其中至少一个温度传感器元件是可加热的，其中所述测量管(2、12、22)具有纵轴(A)以及在所述测量管(2、12、22)的端部区域中具有第一管横截面的管轮廓(8、18、28)，其中所述测量管(2、12、22)包括具有与所述第一管横截面的形式和/或面积不同的第二管横截面的变窄部分，其中所述变窄部分被分为至少两段(6、16、26)，其中至少一段(6、16、26)相对于所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)成至少5°的角(α)，并且其中，在每种情况下，所述温度传感器元件中的一个从所述测量管(2、12、22)的所述管壁(7、17、27)外部被布置在所述两段(6、16、26)中相应一段中，并且被定位成与被测介质热接触。

Description

热流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测被测介质的质量流量的热流量测量装置。

背景技术

已知根据热测量原理工作的流量测量装置传感器。这种测量原理基于加热的电阻温度计的冷却，后来也被称为加热和测量或者有源传感器元件，通过流动的被测介质从该传感器提取热。通过增大电加热电流而补偿被提取的能量。以这种方式，在热和测量因而有源传感器元件与后来也被称为测量或者无源传感器元件的参考温度传感器之间建立恒定温差。质量流量越大，则需要的能量越多，以便获得这种差异。作为其结果，被测加热电流与质量流量成比例。在过程中适当地建立热测量原理，其中通过施加化学、物理或者生物程序由原材料或者起始材料产生产物，并且成功地在许多应用中施加该产物。尤其需要在水和其它液体，诸如油中应用这种测量原理，因为在这种情况下，与气体相比，热传递和所需的加热功率明显更高，并且相关的材料特性非常强烈地取决于温度。因此，在流速>2.5m/s的情况下，能够经历特征曲线的平化，以及此外敏感性减小。此外，在给定情况下，在传感器元件彼此的间隔较小，例如在流速<0.2m/s的情况下能够经历有源传感器元件与温度测量传感器元件的串扰。

已知由两个传感器——有源传感器元件和无源传感器元件组成的传感器，每个传感器都具有圆筒形的传感器帽，并且从传感器的基部表面延伸。在传感器帽的端表面中焊接有电阻传感器。由于圆筒形传感器帽，传感器元件具有良好的绝热性，所以不发生串扰。然而，这些传感器在水中的特性比上述传感器差。因而，在更高流速的情况下，特性曲线相对快速地达到能够提供的最大功率的特定饱和。一旦达到这种功率限制，即使流速更高，也没有更多的热被提供给流体。由于特性曲线示出测量能够发生的介质的流速的测量范围，所以在快速达到这种饱和的情况下，不在可能在更快的流动下测量。

DE 10 2013 108 099 A1提出了这种问题并且描述了一种解决方案。在该公开中描述了一种传感器元件，即通过喷嘴快速插入管道的传感器。在这种情况下，传感器元件不使用销状套管，而是使用具有带角度表面的传感器帽。传感器帽的特殊几何形状允许其提供具有分离边缘和限定再循环区域的流动剖面。由于径向设置的传感器部分的直径大于管直径，所以管道焊接构造非常复杂。

因而，基于DE 10 2013 108 099 A1，本发明的目的在于实现一种热流量测量装置的测量范围扩展，这种扩展也适应于较小直径的管子或者管道系统情况。

发明内容

通过一种用于确定和/或监测被测介质的质量流量的热流量测量装置实现该目的。

用于确定和/或监测被测介质的质量流量的本发明的热流量测量装置包括具有测量管的传感器元件，测量管具有管壁以及具有尤其被实施为电阻温度计的至少第一和第二温度传感器元件。这些传感器元件被布置在测量管上。温度传感器元件中的至少一个是可加热的。

测量管具有纵轴以及在端部区域中具有第一管横截面的管轮廓。这些端部区域具有普通、正常的管轮廓。端部区域尤其为测量管通过其插入过程管线的连接器区域。能够通过焊接或者通过法兰固定测量管。除了传感器单元之外，热流量测量装置优选地包括通常被实施为发送器的测量和评估单元。传感器单元优选地被壳体保护从而不受环境影响。

测量管另外包括具有与第一管横截面的形式和/或面积不同的第二管横截面的变窄部分。当然，这种差异固有地存在于变窄部分的概念中。

变窄部分被分为相对于测量管的纵轴成至少5°的角的至少两段。以这种方式实现了例如具有分离边缘的优化流动剖面。作为对纵轴的替选，也能够采用正常管轮廓区域中的纵向方向的测量管路径作为参考系。

在每种情况下，温度传感器元件之一在测量管管壁外部地被布置在两段中相应一段中。温度传感器元件被定位成与被测介质热接触。这意味着它们能够与被测介质交换热，并且能够通过测量管的壁确定介质的温度。在这种情况下，金属管壁尤其是有利的。

由于变窄部分为测量管的整体部件，并且由于该区域中的温度传感器元件的布置，能够在小标称直径应用的情况下精确地，成本有效地产生热流量测量装置。由于在制造时更好地处理，所以装置也精确地测量，并且每个流量装置都具有恒定的测量性能。

为了更广泛地优化流动剖面，将变窄部分分为至少三段——第一段、中间段和第三段是有利的，其中这些段被依次并且一个接一个地布置在流动方向S中。在这种情况下，温度传感器元件被布置在第一和第三段上。

出于非物质化和部件减少的原因，变窄部分为管壁的一部分是有利的。

温度传感器元件被布置在其上的该至少两段尤其被实施为平的。中间段同样有利地为平的，并且具有垂直于测量管的纵轴的表面法线。

为了良好地传热，测量管壁小于1cm厚，优选地小于或者等于0.5mm是有利的。另外，这种测量管的轮廓能够更好地经历形变形成。也可能采用具有较厚测量管壁的测量管，并且仅薄薄地构成其中布置有温度传感器元件的段。例如能够使用材料清除、精加工步骤对此加以影响。

当测量管的轮廓具有小于DN20的标称直径时，本发明的流量测量装置的实施例提供了特别的制造优点。

为了提供进一步优化的流动剖面，当测量管具有两个平中间段时是有利的，两个平中间段在测量管上径向相对，并且具有垂直于测量管的纵轴延伸的表面法线。

能够通过形变方法，以大规模生产可行方式实施具有其中布置有温度传感器元件的至少两段的变窄部分。当然，更大的管壁区域也能够被形变方法具体实施为具有超过两段。

当第一段的倾斜区域的表面法线向量与纵轴(A)形成至少8°，尤其优选地10-35°之间的角(α)时是有利的。

附图说明

现在将基于附图更详细地描述本发明的实施例的许多示例，附图示出如下：

图1是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第一实施例的透视图；

图2是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第一实施例的侧视图；

图3是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第一实施例的截面图；

图4是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第二实施例的透视图；

图5是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第二实施例的侧视图；

图6是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第二实施例的截面图；

图7是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第三实施例的透视图；

图8是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第三实施例的侧视图；

图9是本发明的热流量测量装置的传感器元件的第三实施例的截面图。

具体实施方式

图1-9示出热流量测量装置的传感器单元1、11和21的变形。为了简化，在图中未示出例如发送器形式的测量和评估单元。

所以在本情况下，普通热流量测量装置也包括两个尽可能被实施为相同的可加热的电阻温度计，其与流经测量管或者流经管道的介质热接触。对于工业应用，通常在测量管内包括两个电阻温度计；然而，电阻温度计也能够被直接焊接至管道。两个电阻温度计其中之一是通过加热单元加热的所谓有源传感器元件。加热单元为另外的电阻加热器，或者在电阻温度计的情况下，例如在通过电功率的转换，例如通过测量电流的相应变化加热的RTD(电阻温度装置)传感器的情况下，为电阻元件。第二电阻温度计是所谓的被动传感器元件。其测量介质的温度。

通常，在热流量测量装置中，可加热的电阻温度计被加热为在两个电阻温度计之间建立固定温差。可替选地，也已知通过控制单元提供恒定的加热功率。

如果测量管中不存在流动，则需要每单位时间的恒定量的热以维持预定温差。相反，如果待测介质移动，则加热的电阻温度计的冷却本质上取决于流过的介质的质量流量。由于介质比加热的电阻温度计冷，所以流动介质将热从加热的电阻温度计带出。因而，为了在流动介质的情况下保持两个电阻温度计之间的固定温差，加热的电阻温度计需要更高加热功率。更高的加热功率是质量流量，即流经管线的质量流量的测量。

相反，如果提供恒定加热功率，则作为介质流动的结果，电阻温度计之间的温差减小。则特定的温差是流经管线，或者在该情况下为流经测量管的介质的质量流量的测量。

因而，在加热电阻温度计所需的加热能量和流经管线或者流经测量管的质量流量之间存在函数关系。在热流量测量装置中采用热传递系数与流经测量管，或者流经管线的介质的质量流量的相关性以确定质量流量。申请人以商标“t-switch”、“t-trend”和“t-mass”销售根据这种原理操作的装置。

在确定质量流量时，热流量测量装置可能在测量液体的情况下达到最高功率限制。因为与气体相比，液体具有本质上更高的导热系数，以更高速度从有源温度传感器的表面带离更多热能。在介质的速度更高的情况下，快速地达到测量电子设备的传感器特征曲线的饱和，或者功率上限，使得液体的测量范围被限于低流速。通过图1-9中所示的热流量测量装置的传感器实施例克服这种缺点。

图1-3中所示的传感器单元1包括测量管2。本发明具有利用小标称直径范围的测量管制造流量测量装置的特别优点。这种范围涉及标称直径小于DN20的测量管。例如，相应的测量管2能够具有DN10、DN8或者DN6的标称直径。对图4-9的实施例也是如此。

测量管2具有纵轴并且另外包括测量管在其中变窄的区域。优选地，通过形变方法将这种变窄部分引入测量管2中。确切地，在小于1cm，优选地小于5mm薄管壁的测量管的情况下，其它实施例，因而例如铸造方法不能被应用于形成测量管。

图1中所示的传感器单元1的测量管2的变窄部分包括与DE 102013 108 099A1类似的特定路径。变窄部分包括其表面法线垂直于测量管的纵轴A延伸的平中间段5。

测量管2包括变窄部分外部的管轮廓8。在大多数应用中，管轮廓为圆筒形的。然而，在一些应用中，已知具有三角形、矩形或者多边形横截面的管轮廓。同样地，这些也被术语“管轮廓”所涵盖。

测量管2在正常管轮廓8和中间段5之间的狭窄区域中包括第一和第三段6，其中第一段6被布置在入流端上，并且第三段6被布置在中间段5的出流端上。这些过渡区域由其表面法线与测量管轴线A以不等于90°的角度交叉的带角度的表面组成。第一段6、中间段5和第三段6被布置成彼此紧挨着。

在这种情况下，图3的截面图中的至少第一段被实施为相对于纵轴A倾斜，并且关于测量管2的管壁7的纵向方向的角α优选地至少5°，优选地至少8°，尤其优选地为10-35°之间的平区域。图3示出该角为20°。在这种情况下，该区域尤其能够被实施为平的，由于表面粗糙度而具有不规则性，或者以朝着被测介质或者远离被测介质的弧形形状延伸。

在第一段6的管壁7上布置有具有第一电阻温度计3的第一温度传感器元件，在下文基于实施例的示例更详细地描述其的构造。优选地，电阻温度计3被实施为薄层元件。电阻温度计3具有三层构造，即陶瓷衬底、优选为铂的曲折形状金属层或者金属丝，以及被布置在其上的玻璃保护层。延伸至金属丝或者金属层的是电源和地线引线。

通过开发承载电流时的电阻的温度相关性发生温度测量。在这种操作状态下，电阻温度计4作为无源传感器元件加以应用。上述电阻温度计4作为无源传感器元件测量介质的温度，并且作为具有电流水平设置的有源传感器元件也将热量引入介质。在这种情况下，第一段3的电阻温度计4是具有恒定温度并且向流动介质输出热能的有源传感器元件。

这种传感器元件，即电阻温度计4优选地作为板状、薄层元件构成。在本发明的尤其优选实施例中，板状、薄层元件本质上被定向为平行于第一段6的区域。能够发生与平行平面小于10°，优选地小于5°的微小偏差。

现在将描述第一实施例，其中被布置在第一段3的管壁7上的第一电阻温度计3作为有源传感器元件运行。在这种情况下，入流端段6是流动方向S中的介质流动首先撞击的变窄部分的段。

以与第一电阻温度计3类似的方式，优选地，具有第二电阻温度计3的第二温度传感器元件被布置在第二段6的管壁7上的传感器元件1中。在这种情况下，第二电阻温度计3在本第一实施例中起无源电阻温度计的作用，以记录介质的温度。

与DE 10 2013 108 099A1的实施例相比，电阻温度计3被直接地固定至管壁。例如，能够通过焊接连接或者通过导热胶发生这种固定。

在这种情况下，测量管优选地由金属组成。从每个电阻温度计3通往测量和评估单元(未示出)的是用于能量供应和用于信号传输的两个连接线4。然而，也能够通过分开的连接线发生能量供应和信号传输。

为了保护其不受外部温度影响，具有电阻温度计3的测量管有利地具有壳体(未示出)。

现在将更详细地解释传感器1的特殊实施例与被布置在第一段6上的有源传感器元件3的组合实现的效果。

与平表面相比，被布置在入流端上的第一段6的倾斜增大了热边界层厚度，并且紧邻的边界层成型为在表面上比较均匀地分布。这种边界层降低了有源传感器元件的散热。即，边界层的存在减小了介质和传感器表面之间的温度梯度，由此发生较少热输入。由于边界层，所以传感器在测量操作期间需要的功率较少。

在本发明的第二优选实施例中，下游、第三段6的第二电阻温度计3作为有源传感器元件运行，并且上游、第一段6的第一电阻温度计3作为无源传感器元件运行。

在流速较小的情况下，边界层结构在传感器的整个端面3上发生，并且尤其是在下游区域中存在高层厚度。诸如在实施例的上述示例中所述的，这种边界层使得能够向介质输入较少的热，因此延迟介质较高流速的饱和程度。

在中间段5和第二、下游段6之间的过渡区的后部部分中另外地产生分离边缘，其中流动以较高速度分离。同时，在更高介质速度的情况下产生再循环，因而产生至少部分地与主流动方向相反的流动。这种再循环比主流动慢优选至少60％，然而尤其优选慢至少80％。然而，这种再循环与主流动成比例。方向与主流动相反的再循环部分在介质方向中，在过渡区域之下并且在分离边缘之下流过第三段，并且在这种情况下吸收将比主流动的情况少的热能。以这种方式，保持温度需要的功率较少，并且仅在非常高的流速下发生功率饱和。

因而，传感器的优化的几何形状基于两种不同现象，即在高流速的情况下在下游区域中形成流速相关再循环，并且在入流区域形成单一边界层。

总而言之，与先前几何形状相比，新传感器几何形状产生更稳定并且更可靠的测量值。

通过从一侧的形变将图1-3中所示的变窄部分引入测量管2。

在图4-6中示出根据本发明的传感器元件11的另一实施例。在本文中，通过使其具备变窄部分进一步开发图1-3的变形的管壁，从一侧，例如从上侧，以及也从相反侧，例如从下侧两者将变窄部分引入测量管。

在该实施例中，在变窄部分的区域中布置有彼此平行并且具有垂直于测量管12的纵轴的表面法线的两个平中间段15和20。然而，中间段15和20关于沿纵轴A的传播方向尺寸长度不同。为了与图1-3类似地确定流量，电阻温度计13被布置在第一和第三段16中的测量管壁17的外部上。测量管壁的外部上的布置意思是测量管壁的这种表面不是接触介质的表面。因而，关注测量管的周界上，即测量管的外壁上的布置。

在这种情况下，两个中间段15和20中较短的一个位于第一和第三段16之间。

在该示例中，管轮廓18也可被实施为圆筒形。在变窄部分区域中，测量管的形状与该管轮廓不同，其中测量管横截面变小。优选地，测量管12的管壁17以其中形成中间段的方式由形变方法加以变形。布置在中间段15和20以及管轮廓18之间的为优选为平的第一和第三段16，以及第四和第六段19。它们的表面法线具有关于纵轴不等于90°的角。特别地，段16和19的表面法线相对于纵轴不为90°。第一、第三、第四和第六段16和20尤其具有相对于测量管2的纵轴L，以及相对于测量管壁17的长度的相同倾斜角。与具有相邻第一段16、中间段15和第三段16的第一管壁区域相对的具有相邻第四段19、中间段20和第六段19的第二管壁区域具有比第一管壁区域更大的表面积。

第二管壁区域至测量管的引入尤其能够在与第一管壁区域的引入共享的形变步骤中发生，并且用于另外的流量调节。

图7-9示出本发明的传感器元件21的实施例的进一步示例。这里的测量管22的变窄部分也受到两个管壁区域的影响，然而，在实施例的该示例中，两个管壁区域尺寸相同，并且彼此径向相对。

与图4-6类似地，测量管同样包括两个平中间段25和30，偏离正常圆筒形管轮廓28的这两个平中间段25和30被引入测量管壁27中，优选地在其中形成。

在相应中间段25和30的过渡区域中，在每种情况下都布置有倾斜的，优选平的段26和29。在管壁外部布置在这些段上的是针对能量和信号传输连接引线24和34从其中延伸的温度传感器23和33。

通过相对布置的电阻温度计24和34，能够补偿测量误差，并且能够做出冗余测量以检查流量测量的精确性。

在本申请的上下文中全面地参考的DE 10 2013 108 099A1中描述并且详细地示出了由特殊几何形状产生的效果。

在图1-9中的其不同实施例中所示的传感器元件非常适合应用于低压，例如40巴的流量。在这种情况下，传感器元件在变窄部分的区域中具有尤其优选为0.3-1mm，尤其是0.4-0.7mm的壁厚。针对传感器的响应时间优化壁厚。

附图标识

1,11,21 传感器元件

2,12,22 测量管

3,13,23,33 电阻温度计

4,14,24,34 信号传输和/或能量供应引线

5,15,25 第一中间段

6,16,26 第一和/或第三段

7,17,27 管壁

8,18,28 管轮廓

19,29 第四和/或第六段

20,30 第二中间段

S 流动方向

A 纵轴

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监测被测介质的质量流量的热流量测量装置，包括：

-具有测量管(2、12、22)的传感器元件(1、11、21)，所述测量管(2、12、22)具有管壁(7、17、27)，

其中，所述测量管(2、12、22)具有纵轴(A)以及在所述测量管(2、12、22)的端部区域中具有第一管横截面的管轮廓(8、18、28)，

其中，所述测量管(2、12、22)包括具有与所述第一管横截面的形式和/或面积不同的第二管横截面的变窄部分，

其中，所述变窄部分在第一管壁区域被分为第一段、中间段和第三段(6、16、26)并且在第二管壁区域被分为第四段(19)、中间段(20)和第六段(19)，

其中，至少所述第一段和所述第三段各自包括在所述测量管(2、12、22)的所述管壁(7、17、27)上外部布置的至少一个温度传感器元件，并且被定位成与所述被测介质热接触，

其中，所述温度传感器元件被实施为电阻温度计(3、13、23、33)，

其中，所述温度传感器元件中的至少一个是可加热的，

其中，

至少所述第一段(6、16、26)包括相对于所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)成至少5°的角(α)布置的平区域，

其中，在所述第一段中布置的所述至少一个温度传感器元件被布置在所述平区域上，

其中，所述第二管壁区域位于所述第一管壁区域对面，

其中，所述第二管壁区域比所述第一管壁区域具有更大表面积。

2.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述变窄部分被分为至少三段——第一段(6、16、26)、中间段(5、15、25)和第三段(6、16、26)，其中这些段(5、6、15、16、25、26)被依次并且一个接一个地布置在流动方向(S)中。

3.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述变窄部分是所述管壁(7、17、27)的一部分。

4.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于至少两段(6、16、26)被实施为平的。

5.根据前述权利要求2-4之一所述的热流量测量装置，其特征在于所述中间段(5、15、25)被实施为平的，具有垂直于所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)的表面法线。

6.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述管壁(7、17、27)具有小于1cm的壁厚。

7.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于至少所述管壁(7、17、27)的布置有所述温度传感器元件(3、13、23、33)的所述段(6、16、26、29)具有小于1cm的壁厚.

8.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述测量管(2、12、22)的所述管轮廓(8、18、28)具有小于DN 20的标称直径。

9.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述测量管(2、12、22)具有两个平中间段(15、20、25、30)，所述两个平中间段(15、20、25、30)在所述测量管(2、12、22)上彼此径向相对并且具有与所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)垂直延伸的表面法线。

10.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于具有所述至少两段(6、16、26)的所述变窄部分被通过形变方法引入所述测量管(2、12、22)内。

11.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述段(6、16、26)中的至少一个相对于所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)成至少8°的角(α)。

12.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述管壁(7、17、27)具有小于或者等于0.5mm的壁厚。

13.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于至少所述管壁(7、17、27)的布置有所述温度传感器元件(3、13、23、33)的所述段(6、16、26、29)具有小于或者等于0.5mm的壁厚。

14.根据权利要求1所述的热流量测量装置，其特征在于所述段(6、16、26)中的至少一个相对于所述测量管(2、12、22)的所述纵轴(A)成至少10-35°之间的角(α)。

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