CN107110696B - 具有诊断功能的热式流量测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热式流量测量装置(1)，包括至少三个传感器元件(4a、4b、4c)和电子单元(9)，以及一种用于操作热式流量测量装置(1)的方法，其中，所述电子单元(9)被实施成以加热功率加热所述至少三个传感器元件中的每个，记录其温度，同时加热所述至少三个传感器元件中的至少两个，连续地确认所述介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，并且同时，提供有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息，并且在所述至少三个传感器元件中的至少一个传感器元件上发生故障和/或沉积的情况下，执行对质量流量(ΦM)和/或流速(vD)的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少一个传感器元件的状态的报告。

Description

具有诊断功能的热式流量测量装置
技术领域
本发明涉及热式流量测量装置，尤其用于确定和/或监测通过管线的可流动介质的质量流量和/或流速的热式流量测量装置，其包括至少三个传感器元件和电子单元，本发明还涉及用于操作这样的流量测量装置的方法。另外，能够提供有关至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。因此，流量测量装置包括诊断功能。
背景技术
热式流量测量装置广泛应用于过程测量技术。本申请人制造并销售相应的现场设备，例如，其商标为t-switch、t-trend或t-mass。由诸多公开文献中已知多种基础测量原理。
典型地，本发明领域的流量测量装置包括至少两个传感器元件，其中每个具有尽量同样实施的温度传感器。传感器元件中的至少一个以可加热的方式来实施。就此而言，传感器元件能够包含辅助电阻加热器。然而，替选地，温度传感器也能够被实施为电阻元件，例如，以RTD电阻元件(电阻式温度检测器)的形式，尤其以铂元件的形式，诸如名称为PT10、PT100和PT1000的商业地可获得的。然后，电阻元件(也称作电阻温度计)通过向其供给的电功率的转换、例如随电流供应的增大而被加热。
通常，温度传感器被布置于柱状壳体内，尤其是金属的壳体，尤其是不锈钢或哈氏合金(Hastelloy)。该壳体充当保护温度传感器例如免受腐蚀性介质的外壳。在相应至少一个可加热温度传感器的情况下，另外还须确保在可加热传感器与壳体之间提供最佳的热接触。
为了记录质量流量和/或流速，将至少两个传感器元件装入可流动介质至少不时地且至少部分地流过的管线内。传感器元件与介质热接触。对此，它们能够被直接集成于管线内或者可安装在现有管线中的测量管内。这两种选择都是本发明的主题，而在下文中仅对管线加以讨论。
在操作中，至少两个温度传感器中的至少一个被加热(有源温度传感器)，而第二个温度传感器保持未被加热(无源温度传感器)。无源温度传感器被应用于记录可流动介质的温度。在这种情况下，术语“介质的温度”意指介质在没有加热单元的额外热量输入的情况下具有的温度。有源传感器元件通常被如此加热，使得在两个温度传感器之间建立固定温差，其中，加热功率的变化被考虑作为质量流量和/或流速的测量。然而，替选地，馈送的加热功率也能够被保持恒定，以便相应的温度变化被考虑用于确定质量流量和/或流速。
如果在管线中不存在流动，则通过热传导、热辐射以及在给定情况下还通过自由对流，在介质内去除来自有源温度传感器的热量。然后，为了保持某一温差，例如需要随时间恒定的热量。反之，如果存在流动，则存在来自流过的较冷的介质的流动的有源温度传感器的额外冷却。由于强制对流，产生额外的热量传输。相应地，作为流动的结果，需供给更大的加热功率才能保持固定温差，否则有源温度传感器与无源温度传感器之间的温差就会减小。
供应给有源温度传感器的加热功率或温差与通过管线的介质之间的质量流量和/或流速的这种函数关系能够借助所谓的传热系数来表达。于是，传热系数与通过管线的介质的质量流量的相关性被用于确定该质量流量和/或流速。随此，介质的热物理性质以及管线中占主导的压力对所测的流动产生影响。此外，为了虑及流动与这些变量的相关性，在流量测量装置的电子单元内提供呈特性曲线形式或作为功能限定方程的组成部分的热物理性质。
无法借助热式流量测量装置来直接区分向前和向后的流动。在这种情况下，术语“流向”在本文中意指宏观流向，从而不考虑局部发生的涡流或方向偏移。如果不知道流向，则尤其在流动并不随时间恒定或流动极低的情况下，在确定质量流量和/或流速的过程中可能不利地出现显著的测量误差。
已经开发和公开了各种热式流量测量装置，它们除确定质量流量和/或流速之外还具有流向检测的补充功能。为了确认流向，通常利用这样的事实，即直接围绕特定的传感器元件的不同的局部流动，在相应地同等供给加热功率的情况下引起相应传感器元件的不同冷却速率。不同的局部流动能够例如通过将阻流体集成在至少两个传感器元件中的至少一个的紧邻处的管线内、通过至少两个传感器元件关于流动剖面的非等效布置或者还通过至少两个传感器元件的不同几何实施方式而加以实现。
例如，在DE102010040285A1的流量测量装置的情况下，在第一可加热温度传感器与第二可加热温度传感器之间的连接线上的测量管内布置板片。然后，基于对由至少两个可加热温度传感器的相应加热功率和温度得出的所谓的判定系数的比较，确认介质的流向。为了确定流向，在专利公开文献DE102009045956A1和DE102009045958A1中同样考虑到这些判定系数。在这种情况下，DE102009045956A1的流量测量装置包括导流体，其与可加热温度传感器共同布置于基本上平行于管线轴线的线上，并且与其间隔地布置有进一步的温度传感器。相比之下，在DE102009045958A1的流量测量装置的情况下，至少两个可加热温度传感器被布置于两个套筒区段中，并且至少两个套筒区段参照测量管的轴线指向至少两个方向。
在DE102007023840B4中描述了带有流向检测的热式流量测量装置，其包括至少三个传感器元件，其中两个传感器元件沿流向相继布置并且这两个传感器元件中的至少一个被加热，至少不时地根据流向，被加热的传感器被布置在未被加热的传感器元件之前，并且不时地，未被加热的传感器被布置在被加热的传感器元件之前。另外，第三传感器元件可周期性地暂时被加热并且被布置在跨前两个传感器元件的流动之外。相应获取的测量值的偏差则是关于介质流向的测量。
举例而言，可在给定情况下考虑的测量值讹误的其他因素在于，所用的传感器元件中的至少一个的热阻变化，在除此之外的恒流条件下，这也会导致从加热单元到介质的热传递发生改变。这样的热阻变化也称作传感器漂移。在给定的情况下，当有效热阻的变化保持低于某一可预定极限值时，并且在检测到该变化的情况下，能够通过适当的对策而至少部分地消除传感器漂移以及对确定质量流量和/或流速的负面影响。否则，需在给定情况下至少部分地置换流量测量装置。
基本上，关于热阻，内热阻与外热阻之间有所不同。内热阻尤其取决于传感器元件内(例如，套筒内)的各个组件。因此，传感器漂移可能起因于焊接过程中由于材料膨胀的拉伸载荷等所致的缺陷。相比之下，外热阻受接触介质的相应传感器元件的表面上的堆积物、材料去除或物质变换(例如，腐蚀)的影响。因此，外热阻的变化在长期操作和/或触及腐蚀性介质的情况下尤其相关。在气态或汽状介质的情况下，测量质量流量或流速还可能通过温度传感器中的至少一个上的冷凝物形成而劣化。
由现有技术可知能够用于启动有关传感器元件中的至少一个的诊断的数种流量测量装置。由此提供有关传感器元件中的至少一个的状态的信息。
DE102005057687A1描述了一种具有至少两个可加热温度传感器的热式流量测量装置，其中，替选地，第一温度传感器和第二温度传感器可操作成未被加热的无源温度传感器，其在第一测量间隔期间提供有关介质的当前温度的信息，并且第一温度传感器和第二温度传感器可操作成被加热的有源温度传感器，其在第二测量间隔期间提供有关通过管线的介质的质量流量的信息。一旦在第一测量间隔和第二测量间隔期间提供的两个温度传感器的相应测量值互相偏差，控制/评估单元便发出报告和/或进行校正。通过这种方式，能够识别堆积物和冷凝物形成。
类似地，在DE102007023823A1中公开了具有两个可分阶段交替加热的传感器元件的热式流量测量装置以及用于其操作的方法。在这种情况下，质量流量交替地基于相应的被加热的传感器元件来确认，其中，为了确认介质的温度参考相应的未被加热的传感器元件。通过比较利用两个传感器元件所得的测量值，补充地，还能够检测到两个传感器元件中的至少一个的积垢。
最后，在US 8,590,360 B2中描述了以第一加热功率来加热或冷却的第一可加热传感器元件并同时描述了以第二加热功率来加热或冷却的第二可加热传感器元件。典型地，两个加热功率被如此选择，使得两个传感器元件的温度相异。通过比较介质的温度和/或至少两个表征传热系数的自变量，就能够作出有关流量测量装置的诊断。
然而，这些适于诊断堆积物和/或冷凝物形成或者适于提供有关至少一个传感器元件的状态的信息的流量测量装置中的绝大多数都无法同时确认流动和诊断或者同时确认流动和流向，或者两者。就相应应用的测量原理而言，各个传感器元件被不时地加热，并且不时地用于记录介质的温度。对应地，每次传感器元件中的一个的温度变化时，需要等待下一次测量值记录，直至新温度在各自情况下变得稳定。因此，例如无法连续地确定质量流量和/或流速。对应地，这些方法假设介质通过管线的流量至少在至少一个传感器元件达到稳定的新温度所需的时间期间几乎恒定。然而，实践中，流量通常至少略微地随时间变化，这就会导致讹误的测量结果。这在高流量的情况下尤其存在问题。
发明内容
从上述现有技术出发，本发明的目的是一种热式流量测量装置以及一种用于操作相应的流量测量装置的方法，借此能够尽量精确地确定质量流量和/或流速。
关于设备，达成上述目的是通过一种用于确定和/或监测通过管线的可流动介质的质量流量和/或流速的热式流量测量装置，其包括：
至少三个传感器元件和电子单元，
其中，所述至少三个传感器元件中的每个：
-至少部分地和/或不时地与所述介质热接触，并且
-包括可加热温度传感器，
其中，所述电子单元被实施成：
-以加热功率加热所述至少三个传感器元件中的每个，
-记录其温度，
-同时加热所述至少三个传感器元件中的至少两个，
-连续地确认所述介质的质量流量和/或流速，并且同时
-提供有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息，并且就所述至少三个传感器元件中的至少一个发生故障和/或沉积的情况下，执行对质量流量和/或流速的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少一个传感器元件的状态的报告。
在这种情况下，供给的加热功率可能是恒定的，由此对应于固定值，或者能以这种方式调节，使得在正进行的操作中，供给的加热功率能够被改变和/或被控制。
因此，所述电子单元必须能够相互独立地加热三个传感器元件中的每个并且能够同时加热至少两个传感器元件。另外，所述传感器元件中的至少一个保持未被加热并且用于记录介质的温度。在为了确定质量流量和/或流速而在至少一个被加热的传感器元件与显示介质的温度的传感器元件之间设定恒定温差的情况下，所述电子单元应当具有至少两个控制单元，用于控制供给到被加热的传感器元件中的每个的加热功率。因此，例如，所述至少两个被加热的传感器元件中的一个能够被应用于确认质量流量和/或流速，并且另一个被应用于诊断。有利地，对于所述被加热的传感器元件中的每个，存在单独的控制单元，以便在正进行的操作中，可选择被加热的传感器元件与未被加热的传感器元件的任意组合。然而，如果由在供给恒定加热功率的情况下在被加热的传感器元件与未被加热的传感器元件之间造成的温差确定质量流量和/或流速，则所述三个传感器元件中的每个应分别能够被馈送可确定而恒定的加热功率。然后，能够比较在各自情况下被加热的传感器元件中的一个与记录介质的温度的传感器元件之间的温差以及被加热到不同温度的两个传感器元件之间的温差。
以此方式，所述至少三个传感器元件中的每个可被分别加热，由此，在各自情况下，所述至少三个传感器元件中的至少两个可被同时加热，这样就能连续地且非常精确地确定质量流量和/或流速。与此同时，能够进行诊断，由此能够获得有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。关于本发明的流量测量装置的另一优势在于，不仅能够获得有关所述至少三个传感器元件中的至少一个显示传感器漂移的信息，而且能够获得有关所述至少三个传感器元件中的哪一个受影响的信息。于是，在所述传感器元件中的一个发生传感器漂移的情况下，却仍能精确地确定流量。例如，如果在第一传感器的情况下检测到传感器漂移，则能够无中断地切换到第二传感器元件来确定质量流量和/或流速。
在尤其优选的实施方式中，所述电子单元被实施成确定可流动介质的流向。因此，对应于该实施方式的流量测量装置除了能够提供诊断、例如有关至少一个传感器元件的状态的信息的补充功能之外，还给予流向检测。这又进一步提高可实现的测量精度。
另一实施方式包括所述电子单元被实施成无中断地、由此连续地确认质量流量和/或流速，确定介质的流向和/或提供有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。
有利地，所述至少三个传感器元件中的至少一个关于几何形状、结构和材料具有第一实施方式，所述至少三个传感器元件中的至少第二个具有不同于第一实施方式的第二实施方式。另外，有利地，所述至少三个传感器元件中的至少两个被布置在所述管线内的关于所述介质的局部绕流等效的第一位置处，以及其中，所述至少三个传感器元件中的至少一个被布置在所述管线内的关于所述介质的局部绕流不同于第一位置的第二位置处。所述管线内的各个传感器元件的不同几何实施方式和/或布置还意味着由介质的流动引起的冷却速率对所述传感器元件中的每个而言是不同的。这尤其有利于检测流向，然而也有利于有关传感器漂移的诊断。其原因在于，特性曲线，亦即各个传感器元件的温度、供给的加热功率和热物理性质以及其他参数之间的功能相关性，针对向前和向后的流动而言是不同的。
在优选的实施方式中，所述至少三个传感器元件中的至少一个相对于所述管线的纵轴被布置为紧邻在阻流体或其他影响流动的模块之前或之后。在这种情况下，有利地，所述阻流体的横截面为三角形、矩形、平行四边形、梯形、圆形或椭圆形。通过该措施，围绕特定传感器元件的局部流动剖面与未布置在阻流体之后的传感器元件相比或者与布置在不同几何形状的阻流体之后的传感器元件相比有针对性地改变。在这种情况下，通过集成阻流体所获得的效果通常比由不同的几何实施方式或布置得出的效果更佳。
在尤其优选的实施方式中，所述热式流量测量装置包括正好三个传感器元件，其中，所述三个传感器元件中的至少一个被布置为紧邻阻流体或另一影响流动的模块。在这种情况下，有利地，第一传感器元件和第二传感器元件被对称地布置在与管线平行的假想轴的相对侧上，其中，第三传感器元件被布置在所述假想轴上，以及其中，在通过所述第一传感器元件和所述第二传感器元件的假想连接线与所述第三传感器元件之间布置有阻流体，其与所述第三传感器元件的间距小于与所述假想连接线的间距。
另外，达成本发明的目的还通过一种用于在正常操作模式和诊断模式下操作根据本发明所述的热式流量测量装置的方法，该热式流量测量装置用于确定和/或监测通过管线的可流动介质的质量流量和/或流速并且具有至少三个传感器元件和电子单元，
其中，在所述正常操作模式下，以可调谐加热功率加热所述至少三个传感器元件中的至少一个，记录其温度，并且确定所述介质的质量流量和/或流速，以及
其中，在所述诊断模式下，至少执行以下步骤：
-以第一加热功率加热第一传感器元件并且记录其温度，
-以第二加热功率加热第二传感器元件并且记录其温度，
-借助未被加热的第三传感器元件记录所述介质的温度，
-由所述第一传感器元件或第二传感器元件的加热功率和/或温度和/或由从这些变量中的至少一个导出的至少一个变量，连续地确定所述介质的质量流量和/或流速，并且同时
-由所述第一传感器元件和/或第二传感器元件的温度和/或加热功率与所述第三传感器元件的温度的成对比较和/或由从所述温度和/或加热功率导出的至少一个变量，推导出有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息，和/或执行对质量流量和/或流速的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的报告。
通过这种方式，能够连续地且精确地确定质量流量和/或流速。与此同时，诊断是可用的，由此能够获得有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。所述诊断不仅限于所述传感器元件中的至少一个的热阻已经变化的信息。更确切地，本发明的方法在给定的情况下能够提供有关所述三个传感器元件中的哪一个具有变化的热阻或者哪一个的热阻仍恒定的信息。在这种情况下，针对至少两个同时被加热的传感器元件的供给的加热功率和/或温度能够被调谐成相同的值或不同的值。
提出本发明的方法的优选变型，由温度和/或加热功率的成对比较和/或由从温度和/或加热功率导出的至少一个变量，确认介质的流向。
在所述方法的另外优选的实施方式中，无中断地且同时确认介质的质量流量、流速、流向和/或有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。
另外，有利地，在各自情况下以可调谐加热功率同时加热所述至少三个传感器元件中的至少两个之前，执行对所测得的介质温度的协调，以及，在给定情况下，计算温度校正项并且将其应用于全部后续测量。在这种情况下，能够考虑以下情形：在启动所述流量测量装置时，加热第一传感器元件和第二传感器元件。在向这些传感器元件供给加热功率之前，利用这两个传感器元件或甚至利用全部传感器元件来确定介质的温度。如果彼此独立测出的值互相偏差，则计算温度校正项。通过这种方式，能够抵消因无法避免的制造公差偏差的测量值和相应校正的差异。当在操作期间反复改变被加热的传感器元件以便执行进一步的温度比较时，出现另一种情况。在这种情况下，可能关系到介质的温度或在相等温度下的供给的加热功率。
提出优选的实施方式，执行对所述至少三个传感器元件的功率系数PC的比较。功率系数PC从对供给到可加热温度传感器S的加热功率P及其温度T与借助附加的未被加热的传感器元件SM确认的介质的温度TM的比较得出并且被定义为：
Figure GDA0002637737660000111
所述方法的另一优选实施方式被设计用于具有正好三个传感器元件并且包括以下方法步骤的热式流量测量装置：
在所述正常操作模式下，向所述第一传感器元件馈送第一加热功率，记录其温度，并且确定质量流量和/或流速，
在所述诊断模式的第一时间间隔中：
-加热所述第一传感器元件和所述第二传感器元件，
-基于所述第一传感器元件，确定质量流量和/或流速，以及
-执行功率系数PC(S1,S3)和PC(S2,S3)的比较，
在所述诊断模式的第二时间间隔中：
-加热所述第一传感器元件和所述第三传感器元件，
-基于所述第一传感器元件，确定质量流量和/或流速，以及
-执行功率系数PC(S1,S2)和PC(S3,S2)的比较，并且从中确认流动介质的方向，以及
在所述诊断模式的第三时间间隔中：
-加热所述第二传感器元件和所述第三传感器元件，
-基于所述第二传感器元件，确定质量流量和/或流速，以及
-执行功率系数PC(S2,S1)和PC(S3,S1)的比较，并且从中确认流动介质的方向。
基于对三个时间间隔中的功率系数的比较，则推导出有关所述至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息，和执行对质量流量和/或流速的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少一个传感器元件的状态的报告。
当然，在所述热式流量测量装置具有三个以上传感器元件的情况下，所述诊断模式则具有三个以上时间间隔。
例如，基于上述的所谓判定系数DC，能够执行对各种传感器元件的功率系数的比较。两个传感器元件S1与S2之间的判定系数DC(S2,S1)被定义为：
Figure GDA0002637737660000121
其中，PC1和PC2是第一和第二传感器元件S1和S2的功率系数。
取决于针对所述至少三个传感器元件中的哪一个是否以及何时存在热阻的变化，在给定情况下无需经过全部三个时间间隔。
最终，根据本发明，还能够确认所述至少三个传感器元件中的至少一个内的电阻的漂移。在热阻不出现变化的情况下，传感器元件也可能漂移。这就导致电阻的特性曲线根据至少一个传感器元件的温度而变化，由此产生有误的温度测量。在此，通过使用功率系数的成对比较，亦即在至少一个传感器元件的非加热状态下，例如，基于在确定温度校正项中的阶段，能够在此检测(即确认)至少一个传感器元件内的电阻的变化。当目前测出的温度校正项与在制造特定传感器元件时确定且例如存储在电子单元内的那些温度校正项存在偏差并且该偏差超过可预定极限值时，能够由该偏差推导出已经发生电阻的变化。通过这种方式，能够区分热阻的变化与电阻的变化。
附图说明
现将基于附图更加详细地阐释本发明及其优势，在附图中：
图1示出根据现有技术的热式流量测量装置的示意图；
图2示出根据本发明所述的具有三个传感器元件的热式流量测量装置的示意图；
图3示出具有三个传感器元件的热式流量测量装置的示意图，所述三个传感器元件中的一个被布置在阻流体之后；
图4示出根据不同流向的雷诺数的判定系数特性曲线的曲线图；
图5示出评估方法选择的框图。
具体实施方式
在附图中，相同的特征设有相同的附图标记。本发明的设备以其整体具有附图标记1。附图标记上的角分符号指示不同的实施例的示例。
图1示出根据现有技术的热式流量测量装置1。两个传感器元件4、7以这种方式密封地集成于介质3流经的管线2中，即它们至少部分地且至少不时地与介质3热接触。两个传感器元件4、7中的每个包括在此情况下被实施成柱状的外壳6、6a，其中布置有相应的温度传感器5、8。尤其是，两个传感器元件4、7中的每个的两个温度传感器5、8应当与介质3热接触。
在本示例中，作为有源传感器元件的第一传感器元件4被实施成使其具有可加热温度传感器5。当然，如前所述，具有外部加热元件的传感器元件4同样落入本发明的范围内。在操作中，能够对应地通过传递加热功率P1而将其加热到温度T1。相反，第二传感器元件7的温度传感器8不可加热并且用于记录介质的温度TM。
最后，热式流量测量装置1还包括电子单元9，其用于信号记录、信号评估和信号馈送。已知具有两个以上传感器元件4、7的热式流量测量装置1以及相应传感器元件4、7的最多样的几何实施方式和布置。
举例而言，图2和图3示出热式流量测量装置1的两种可行布置或实施方式的横穿管线的二维剖视图。由箭头表示介质3的宏观流向3a。图2的热式流量测量装置1’包括在各自情况下包含可加热温度传感器(未示出)的三个有源传感器元件4a、4b、4c。第一传感器元件4a和第二传感器元件4b具有与圆形的横截面等效的几何实施方式并且被布置在管线2内关于围绕它们的局部流动等效的两个位置3b处。第三传感器元件4c具有方形横截面的、不同于第一几何实施方式的第二几何实施方式。此外，第三传感器元件4c被布置在具有不同于第一位置的局部绕流的、管线2内的第二位置3b’处。由箭头指示局部流动剖面。
图3示出另一个热式流量测量装置1”的二维剖视图。介质3在与图2的示例中相同的方向3a上流动。此外，该热式流量测量装置1”包括三个有源传感器元件4a’、4b’和4c’。与图2中类似，第一传感器元件4a’和第二传感器元件4b’被对称地布置在平行于管线的假想轴的相对侧上，而第三传感器元件4c’被布置在该假想轴上，其中，在通过第一传感器元件4a’和第二传感器元件4b’的假想连接线与第三传感器元件4c’之间布置有阻流体，其与第三传感器元件4c’的间距小于与假想连接线的间距。另外，第一传感器元件4a’和第二传感器元件4b’以等效的方式来实施。阻流体10具有三角形横截面。然而，应当理解的是，其他几何实施方式也可用于阻流体10。阻流体10影响流动剖面3a，以致针对第三传感器元件4c’产生局部流动3b”，其与围绕传感器元件4a’和4b’的局部流动相比发生改变。
围绕各传感器元件4a、4b、4c、4a’、4b’、4c’的不同局部流动3b、3b’、3b”导致它们的冷却速率不同。对应地，为了确定质量流量和/或流向的特性曲线或功能限定方程不同。此外，由于管线2内的不同布置或者由于不同的几何实施方式，这些特性曲线或功能关系式针对向前或向后的流体3a而言同样不同。这些不同之处例如能够进行可靠的方向检测以及相应地更精确地确认质量流量和/或流速。举例而言，图4示出针对向前和向后方向流动，关于经与无源因而未被加热的传感器元件SM的、校正的被加热的传感器元件S功率系数作为雷诺数Re的函数的特性曲线。在流向的逆转点(Re＝0)，功率系数存在突变。此外，针对向前方向流动的功率系数处于20-30％的范围内，而针对向后方向流动的功率系数总计为50-60％。相应地，基于该特性曲线，即使当传感器元件仅展现小的漂移时，也能够精确地确定流向。
最后，图5示出用于操作流量测量装置1的方法选择的框图。所示的步骤是针对具有三个传感器元件4a、4b和4c的流量测量装置1的示例，尤其针对如图3所示的流量测量装置1”。有利地，能够连续地且以高测量精度确定质量流量或流速。此外，能够确定管线内介质的流向并且提供有关至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息。理想地，甚至能够确认三个传感器元件4a、4b、4c中的哪一个表现出热阻的变化。
在下文中，简明起见，第一传感器元件(例如在图3中用4a表示的传感器元件)用S1来表示，第二传感器元件(例如4b)用S2来表示，第三传感器元件(例如4c)用S3来表示。
在正常操作模式11下，至少S1通过传递加热功率P11而被加热到第一温度T11。相反，S2和S3保持未加热并且用于记录介质的温度TM。当然，原理上，三个传感器元件S1、S2、S3中的每个在正常操作模式11下均能够被加热或者能够保持未加热。由加热功率P11、被加热的传感器元件S1的温度T11以及介质的温度TM，于是能够确定质量流量ΦM或流速vD。
在激活所谓的诊断模式13之前，可选地，能够执行温度协调12。在这种情况下，比较两个未被加热的传感器元件S2和S3的温度。在检测到借助两个传感器元件所获得的介质的温度TM的测量值的偏差ΔT2,3的情况下，所谓的温度校正项能够被确认并被应用于全部的后续测量，例如通过这种方式：T(S3)+ΔTkor,2,3＝T(S2)。
在诊断模式13下，可用不同的选择。基本思路是，在不同的时间间隔中向三个传感器元件中的两个供给相同或不同的加热功率并且使传感器元件中的一个保持未加热。由两个被加热的传感器元件的温度和/或加热功率与未被加热的传感器元件的温度的成对比较和/或由从温度和/或加热功率导出的至少一个变量，则能够提供有关至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息，和/或执行对质量流量和/或流速的测量值的校正，和/或生成并输出有关至少三个传感器元件中的至少一个的状态的报告。
在图5所示的框图中，举例而言，在第一时间间隔13a中，S1和S2被加热，而S3保持未加热。然后，在第二(第三)时间间隔13b(13c)中，S3(S2和S3)被加热，而反之S2(S1)保持未加热。在被加热的传感器元件的每次变化之前，可重新选择地，能够进行温度协调12，并且在给定情况下，确认进一步的温度校正项ΔTkor,1,2或ΔTkor,1,3。由连接不同的间隔13a、13b和13c以及温度协调12的部分的箭头表示这些选择。
获取有关至少三个传感器元件中的至少一个的状态的信息的机会得自计算时间间隔13a、13b、13c的每个中的相应功率系数PC(S1,S2)、PC(S1,S3)、PC(S2,S3)、PC(S3,S2)、PC(S3,S1)和/或PC(S2,S1)以及相应判定系数。由对不同判定系数的比较，进而能够确认针对三个传感器元件S1、S2、S3中的哪一个的热阻已经变化。有时，这种方法可能不起作用。根据给定传感器元件的热阻变化的大小，或者在变化很小的情况下，能够执行对已确认的质量流量ΦM和/或流速vD的测量值的校正。然而，如果变化大于可预定的极限值，则生成并输出有关相应传感器元件S1、S2、S3的状态或者至少三个传感器元件S1、S2、S3中的至少一个的热阻已经变化的报告。在已知至少三个传感器元件S1、S2、S3中的哪一个的热阻发生变化的情况下，能够利用其余两个功能性传感器元件来执行对应于正常操作模式11的测量操作，直至漂移的传感器元件得到维修。
取决于配置，例如，因为传感器元件S1、S2、S3中的任何一个都未显示热阻的变化，或者已经在第一或第二时间间隔中清楚传感器元件S1、S2、S3中的哪一个已经出现热阻的变化，就无需执行全部三个时间间隔13a、13b、13c。
就经过全部三个时间间隔13a、13b和13c方面而言，则获得由例如基于相应的判定系数比较在时间间隔13a、13b和13c的每个中的可确认的功率系数得出的诊断信息14、14’、14”(D1、D2和D3)的三种不同表述。通过诊断信息14，D1、D2和D3的三种不同表述的比较，就可以在给定的情况下确认三个传感器元件S1、S2或S3中的哪一个的热阻已经变化。
在此所示的示例中，另外还在诊断模式13的第二时间间隔13b和第三时间间隔13c中执行方向检测3a。在此所示的流程图是针对图3的传感器，因此S3的局部绕流3b”不同于S1和S2的局部绕流3a，使得当两个被加热的传感器元件为S1或S2并且第二被加热的传感器元件为S3时，能够最高效地完成方向检测3a。
在第三时间间隔13c中，S2和S3被加热。相应地，为了连续地确定质量流量ΦM和/或流速vD，至少针对该时间间隔内，应当从S1到S2地发生变化。因此，在变化之前，存在尤其用于温度协调12的机会。在检测到S3的热阻变化的情况下也同样如此。然而，在给定的情况下，应当借由热式流量测量装置1需要维护的报告来通知客户。
如果由诊断模式13得出S1的热阻已经变化，则就能够针对正常模式11从S1切换到S2，以便确保连续地校正并精确地确定质量流量ΦM和/或流速vD。
取决于客户的需求，激活诊断模式13和/或方向检测3a。然而，同样能够连续地并与确定质量流量ΦM和/或流速vD并行地执行诊断模式13和/或方向检测3a。例如在图5中，在时间间隔13b和13c中反复执行方向检测3a，并且将所获取的有关流向R2和R3的信息例如进行相互比较，以便检查测量结果。对布置在等效位置并等同地实施的两个传感器元件的比较通常不会导致精确的方向检测。
为了评估在诊断模式13的不同时间间隔13a、13b和13c中所获取的诊断信息D1、D2和D3，能够假设在三个传感器元件中的至少一个上的积垢和/或堆积物形成导致相应的功率系数相较于正常状态的负位移，而出现磨损则导致正位移。
如果选择除用于图5所示的图之外的热式流量测量装置的布置和/或实施方式，各个步骤需在给定情况下稍作修改。与传感器元件的数目及其布置和/或实施方式无关，保留在正常模式12与诊断模式13之间转换的基本程序。同样地，保留可选地执行温度协调12和/或方向检测3a的机会。此外，本发明的每个方法均利用到两个被加热的传感器元件的温度和/或加热功率与第三未被加热的传感器元件的温度的成对比较和/或从温度和/或加热功率中的至少一个导出的变量。在这种情况下，在不同的时间间隔中能够加热不同的传感元件。
附图标记列表
1 热式流量测量装置
2 管线或测量管
3 介质
3a 宏观流向
3b 围绕传感器元件的局部流动
4 有源传感器元件
4a、4b、4c 有源传感器元件的不同布置/实施方式
5 可加热温度传感器
5a、5b、5c 传感器元件4a、4b、4c的可加热温度传感器
6、6a 外壳
7 无源传感器元件
8 温度传感器
9 电子单元
10 阻流体
11 正常操作模式
12 温度协调
13 诊断模式
13a、13b、13c 诊断模式的第一、第二、第三时间间隔
14 诊断信息
S1 第一传感器元件，例如4a
S2 第二传感器元件，例如4b
S3 第三传感器元件，例如4c
Pxy 在时间间隔y内向传感器元件Sx供给的加热功率
Txy 传感器元件Sx在时间间隔y内的温度
PC 功率系数
DC 判定系数
D1、D2、D3 诊断信息
R2、R3 介质#的流向
ΦM 质量流量
vD 流速
TM 介质的温度
ΔTkor,x,y 用于传感器元件x和y之间协调的温度校正项

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监测通过管线(2)的可流动介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)的热式流量测量装置(1)，包括：
至少三个传感器元件(4a、4b、4c)和一电子单元(9)，
其中，所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的每个：
-至少部分地和/或不时地与所述介质(3)热接触，并且
-包括可加热温度传感器(5a、5b、5c)，以及
其中，所述电子单元(9)被实施成：
-以加热功率(P1、P2、P3)加热所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的每个，
-记录它们的温度(T1、T2、T3)，
-同时加热所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少两个，
-连续地确认所述介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，并且同时
-提供有关所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的信息，并且在所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件上发生故障和/或沉积的情况下，执行对质量流量(ΦM)和/或流速(vD)的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件的状态的报告，
其中，所述电子单元(9)被实施成无中断地并且同时确认质量流量(ΦM)，确定所述介质(3)的流向(3a)和/或提供有关所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的信息。
2.根据权利要求1所述的热式流量测量装置，
其中，所述电子单元(9)被实施成确定所述可流动介质(3)的流向(3a)。
3.根据权利要求1所述的热式流量测量装置，
其中，所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件的几何形状、结构和材料与所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少第二个传感器元件(4c)不同。
4.根据权利要求1或2所述的热式流量测量装置，
其中，所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少两个传感器元件(4a、4b)被布置在所述管线(2)内的关于所述介质(3)的局部绕流(3a)等效的位置与所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的剩余一个传感器元件(4c)被布置在所述管线(2)内的关于所述介质(3)的局部绕流(3b)的位置不同。
5.根据权利要求1或2所述的热式流量测量装置，
其中，所述至少三个传感器元件(4a、4b、4c)中的至少一个传感器元件(4c)相对于所述管线的纵轴被布置为紧邻在阻流体(10)之前或之后。
6.根据权利要求5所述的热式流量测量装置，
其中，所述阻流体(10)具有三角形、平行四边形、梯形、圆形或椭圆形形状的横截面。
7.根据权利要求5所述的热式流量测量装置，
其中，所述阻流体(10)具有矩形的横截面。
8.根据权利要求5所述的热式流量测量装置，
包括正好三个传感器元件(4a、4b、4c)，其中，所述三个传感器元件中的至少一个传感器元件(4c)被布置为紧邻阻流体(10)。
9.根据权利要求8所述的热式流量测量装置，
其中，第一传感器元件(4a、S1)和第二传感器元件(4b、S2)被对称地布置在与所述管线(2)平行的假想轴的相对侧上，其中，第三传感器元件(4c、S3)被布置在所述假想轴上，以及其中，在通过所述第一传感器元件(4a、S1)和所述第二传感器元件(4b、S2)的假想连接线与所述第三传感器元件(4c、S3)之间布置有阻流体(10)，所述阻流体与所述第三传感器元件(4c、S3)的间距小于与所述假想连接线的间距。
10.一种用于在正常操作模式(11)和诊断模式(13)下操作根据前述权利要求1-9中任意一项所述的热式流量测量装置(1)的方法，所述热式流量测量装置(1)用于确定和/或监测通过管线(2)的可流动介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)并且具有至少三个传感器元件(S1、S2、S3)和电子单元(9)，
其中，在所述正常操作模式(11)下，以可调谐加热功率(P1)加热所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件(S1)，记录其温度(T1)，并且确定所述介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，以及
其中，在所述诊断模式(13)下，至少执行以下步骤：
-以第一加热功率(P11)加热第一传感器元件(S1)并且记录其温度(T11)，
-以第二加热功率(P12)加热第二传感器元件(S2)并且记录其温度(T12)，
-借助未被加热的第三传感器元件(S3)记录所述介质的温度(TM)，
-由所述第一传感器元件(S1)或第二传感器元件(S2)的加热功率(P11、P12)和/或温度(T11、T12)和/或由从所述加热功率(P11、P12)和/或温度(T11、T12)中的至少一个导出的至少一个变量，连续地确定所述介质(3)的质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，并且同时，
-由所述第一传感器元件(S1)和/或第二传感器元件(S2)的温度(T11、T12、...)和/或加热功率(P11、P12、...)与所述第三传感器元件(S3)的温度(TM)的成对比较和/或由从所述温度(T11、T12、...)和/或加热功率(P11、P12、...)导出的至少一个变量，推导出有关所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的信息，和/或执行对质量流量(ΦM)的测量值的校正，和生成并输出有关所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的报告，
其中，无中断且同时确认质量流量(ΦM)、所述介质(3)的流向(3a)和/或有关所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的信息。
11.根据权利要求10所述的方法，
其中，由所述温度(T11、T12、...)和/或加热功率(P11、P12、...)的成对比较和/或由从所述温度(T11、T12、...)和/或加热功率(P11、P12、...)导出的至少一个变量，确认所述介质(3)的流向(3a)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，在以可调谐加热功率(P1、P2、P3)同时加热所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少两个之前，执行对所测得的介质温度(T1、T2、T3)的协调(12)，以及，计算温度校正项(ΔTkor,1,2、ΔTkor,1,3、ΔTkor,2,3)并且将其应用于全部后续测量。
13.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，执行所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)的功率系数PC的比较。
14.根据权利要求10或11所述的方法，
其中，所述流量测量装置(1)具有正好三个传感器元件(S1、S2、S3)，
包括以下方法步骤：
在所述正常操作模式(11)下，以第一加热功率(P11)加热所述第一传感器元件(S1)，记录其温度(T11)，并且确定质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，
在所述诊断模式(13)的第一时间间隔(13a)中：
-加热所述第一传感器元件(S1)和所述第二传感器元件(S2)，
-基于所述第一传感器元件(S1)，确定质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，以及
-执行功率系数PC(S1,S3)和PC(S2,S3)的比较，
在所述诊断模式(13)的第二时间间隔(13b)中：
-加热所述第一传感器元件(S1)和所述第三传感器元件(S3)，
-基于所述第一传感器元件(S1)，确定质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，以及
-执行功率系数PC(S1,S2)和PC(S3,S2)的比较，并且从中确认流动介质(3)的方向(3a、R2)，以及
在所述诊断模式(13)的第三时间间隔(13c)中：
-加热所述第二传感器元件(S2)和所述第三传感器元件(S3)，
-基于所述第二传感器元件(S2)，确定质量流量(ΦM)和/或流速(vD)，以及
-执行功率系数PC(S2,S1)和PC(S3,S1)的比较，并且从中确认流动介质(3)的方向(3a、R3)，
其中，基于对三个时间间隔(13a、13b、13c)中的功率系数(PC(S1,S2)、PC(S1,S3)、PC(S2,S1)、PC(S2,S3)、PC(S3,S1)、PC(S3,S3))的比较，推导出有关所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的信息，和执行对质量流量(ΦM)和/或流速(vD)的测量值的校正，和/或生成并输出有关所述至少三个传感器元件(S1、S2、S3)中的至少一个传感器元件的状态(D1、D2、D3)的报告。
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