CN108351243B - 热流量计及操作流量计的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热流量计，用于在给定非恒定介质温度的过程工程中使用，包括加热元件，该加热元件与流动介质热耦合，并因此将其加热功率传导给流动介质，以及两个温度传感器，该两个温度传感器借由各自情况下的一个电源(13a,13b)被提供有测量电流，其中第一温度传感器(RSM)检测在介质的不受加热元件影响的区域内的介质的温度，作为参考温度TMedium，而第二温度传感器(RH)检测加热元件的温度THEAT，其中第二温度传感器(RH)还用作加热元件，且加热元件与两个温度传感器(RSM，RH)连接到控制单元(10)，该控制单元控制加热元件(RH)的加热功率，使得借助定时器，温度差ΔT＝THEAT‑TMedium在固定时间ΔtMeasure处呈现预定值，其中控制单元(10)发送方波信号，提供给第二温度传感器(RH)，使得第二温度传感器在高相位用作加热元件，在低相位用作温度传感器。本发明还涉及一种用于操作流量计的方法。

Description

热流量计及操作流量计的方法
技术领域
本发明涉及热流量计，用于在非恒定介质温度下的过程测量技术中使用，以及用于操作该流量计的方法。
背景技术
上述类型的流量计(也称为量热流量计)检测气态或液态介质的流率，并且例如从德国专利DE 10 2004 055 101中早已为人所知。它们根据量热原理工作，其中取决于流率而发生的热传导所引起的温度变化可以确定。根据King定律，所需的加热功率，传感器元件与介质之间的温度差，以及流率之间存在依赖关系。由于这个定律，可以确定流率。
对过程测量技术的设备要求很高，在某些方面超出了其他测量设备的要求。这些要求包括尽可能不间断地在粗糙的过程环境中使用数月及数年，并且与目标系统(控制器，过程控制系统等)进行简单和标准化的信息交换以及简单的调试和维护(参见V.Gundelach，L.Litz“Moderne Prozessmesstechnik”，1999，第10页)。这种流量计操作的过程环境的特征特别在于其在非恒定介质温度下的使用。因此有必要从传感器元件和介质之间的测量温度差中分离出由于变化的介质温度而导致的部分，并且因此不会由于变化的流率而导致变化的散热。
相反，要求存在恒定环境温度的测量设备，例如热线探头，在所述条件下不适用。举例来说，参考美国专利第6,453,739B1号。对于这些测量设备，气流的变化的流率作为所测量的加热元件或热线的加热或冷却的唯一原因只有在恒定的环境温度下能够呈现。
在过程测量技术中，热流量计通常使用差分温度测量。第一测量元件产生局部温度升高并测量实际测量温度，其中测量温度由测量元件的加热功率，流动介质的温度以及流动介质的依赖于流体的热传导能力得到。而且，通常第二测量元件测量参考温度。根据它们的功能，第一测量元件通常被称为加热元件而第二测量元件被称为温度元件。
典型应用是具有两个空间分离的测量点的系统，用于检测介质和加热元件的温度。这里，此外，必须在具有恒定加热功率的系统(其中测量变量为过热温度)和具有恒定或调节的过热温度的系统(其中测量变量是加热功率或由此导出的量)之间加以区分。在下文中，本发明是基于过热温度控制的量热流量计。
过热温度控制的量热流量监测器可用作具有两个测量元件的系统(其中一个测量元件同时用作加热元件和温度传感器)以及具有两个测量元件和单独的加热元件的系统。例如在上述专利DE 10 2004 055101中，仅具有两个测量元件的系统的控制这样模拟实现，即所要调节的过热温度的目标值取决于测量电桥的设备或相应的电阻值。然后控制电桥的供电电压，使得加热元件通过自加热呈现一个值，使得电桥电压等于0伏。由于过热温度的目标值取决于介质温度，这里的缺点是要考虑测量电桥的温度系数等等。
具有两个测量元件和单独的加热元件的系统可以数字化控制，使得可以避免模拟控制的缺点，然而较高的电路复杂性会导致生产成本增加。此外，由于加热元件和温度传感器之间的加热场需要一定的时间来传导，该系统的测量速度不如具有两个测量元件的系统那么快。
发明内容
本发明的目的是改善测量动态，同时降低生产成本。
该目的通过包括实施例的特征的流量计和根据实施例的用于操作这种流量计的方法来实现。本发明的有利实施例在各个从属权利要求中规定。
根据本发明，第二温度传感器还用作加热元件，并且两个温度传感器经由相应的电源被提供有测量电流。基于此，本发明的核心在于，两个温度传感器并且因此还有加热元件连接到控制单元，控制单元控制加热元件的加热功率，使得借助定时元件，温度差ΔT＝THeiz-TMedium在预定时间ΔtMess呈现预定值。为此目的，控制单元提供方波信号，优选为脉宽调制信号(PWM信号)，所述方波信号提供给第二温度传感器。因此，第二温度传感器在方波信号的高相位用作加热元件，而在低相位用作温度传感器(然后由单独的电源供电)。
决定性的因素是温度差ΔT仅在方波信号关断边缘之后的指定时间点ΔtMess周期性地确定。也就是说，根据本发明的流量计仅在冷却阶段期间的精确限定的时间点(即在低温阶段或冷却阶段开始之后相对不久)处测量。
控制单元将测得的温度差ΔT与预定值ΔTSoll进行比较，并在ΔT>ΔTSoll的情况下缩短PWM信号的脉冲宽度，使得第二温度传感器或加热元件加热较短的时间，而在ΔT<ΔTSoll的情况下延长PWM信号的脉冲宽度，使得第二个温度传感器或加热元件加热较长的时间。
因此，本发明可总结为使得在时间ΔtMess时的ΔT的冷却曲线应该通过点ΔTSoll，其中在这种情况下，仅在冷却曲线开始时的温度值是决定性的。冷却曲线开始时的温度值在加热阶段的持续时间内由控制单元调节。流速越高，加热时间必然越长，首先，因为即使在加热阶段期间，散热也相应地更大，而且因为在冷却阶段开始时ΔT的温度值必须更高，以便实现相应更陡峭的倾斜冷却曲线在时间ΔtMess时再次通过点ΔTSoll。在相反的情况下，即对于较低的流率，恰好相反。最后，方波或PWM信号的占空比是目前流率的度量。
由于测量仅在冷却阶段开始后的一个明确定义的时间点进行，即不必等待整个冷却阶段，流量计的测量动态特性非常高，使得根据本发明的流量计甚至可以用于流率强烈且剧烈波动的环境中。
附图说明
下面将参照附图基于示例性实施例更详细地描述本发明。
附图示意性地示出：
图1是根据本发明的流量计的主要电路结构；
图2a是表示方波信号和在第一种情况下所测量的温度ΔT的相应曲线的示意图；
图2b是示出方波信号和在第二种情况(低于图2a中的流量)下所测量的温度ΔT的相应曲线的示意图；以及
图2c示出方波信号和在第三种情况(大于图2a中的流量)下所测量的温度ΔT的相应曲线的示意图。
具体实施方式
在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1示出根据本发明的流量计的主要电路结构，其中重点在于本发明的说明和本领域技术人员显而易见的措施的解释，例如控制单元10的供应，已被省略。
在右下方显示测量管1，待测量的介质流过该测量管1。流动通过箭头指示。两个温度传感器RSM和RH设置在测量管1内并因此与介质热接触。第一温度传感器RSM检测在介质的未加热区域(即在不受加热元件影响的区域)中的介质的温度，作为参考温度TMedium，而温度传感器RH检测加热元件的温度THeiz。两个温度传感器RSM，RH有利地配置为Pt元件，优选Pt100。
该系统以脉冲方式运行，即加热功率由控制单元10经由方波信号(在该示例性实施例中优选地作为PWM信号)在其输出端10a处提供。控制单元10在这种情况下优选地配置为微控制器。
这里，温度传感器RH既用于测量温度，也用于加热介质，其通过开关12指示。借由提供给第二温度传感器RH的方波信号，温度传感器RH在高相位期间用作加热元件，在低相位用作温度传感器。温度检测所需的测量电流在此期间由电源13b提供。电源13a与其并联设置用于为温度传感器RSM供电。
将Pt元件RSM和RH两端的电压降提供给差分放大器14，差分放大器14的输出信号ΔT又提供给在输入端10b处的微控制器10。因此，ΔT直接通过测量两个温度传感器RSM和RH之间的电压差确定。这需要两个类似的电源13a和13b，其确保相同大小的低测量电流流过RSM和RH。因此，温度差ΔT的确定仅可能是在加热元件RH未被供应较高加热电流期间，温度差ΔT的确定是通过在PWM信号的关断边缘之后(即，低相位)的指定时间ΔtMess的温度差ΔT的测量来实现的。PWM信号的关断边缘，即处于低相位。加热和测量操作之间的切换通过开关12来实现。加热和测量操作之间的切换是通过开关12实现的。
通过存储在微控制器10中的一系列特性来实现将PWM信号的相应占空比分配给相应的流率。介质的热传导属性(物质参数)的温度依赖性也可以通过这一系列特性进行映射，从而得到补偿。为此，第一温度传感器RSM两端的电压降由放大器15放大，然后提供给在输入端10c处微控制器10，并在该处用于确定介质温度。
在图2a中，可以看到微控制器10的PWM信号(粗线)和在平均流率下测得的温度差ΔT(细线)的相应曲线。随后的图2b和2c分别表示流率较慢的情况(图2b)或流率更高的情况(图2c)。这三个PWM信号仅在它们的脉冲宽度或占空比(即高相位和低相位之间的比率)之间不同。在图2a中，高相位和低相位之间的比率应该大约为1：1，而与图2a相比，在图2b中示出了明显更短的脉冲宽度和相应地更长的低相位，在图2c中示出了明显更长的脉冲宽度和相应较短的低相位。
温度差ΔT的测量总是在PWM信号的关断边缘之后(即从低相位开始之后)的某个预定时间ΔTMess处发生。因此，系统试图测量在这个时间点ΔtMess处的预先确定的过热温度ΔTsoll。例如，这可以在2K处。使用慢速温度传感器时，周期可能会持续几秒，而ΔtMess可能会持续几毫秒。对于非常快速的温度传感器，周期可以缩短到几毫秒，而ΔtMess也可以相应缩短。
如果从图2a中的情况开始，流率降低，这将首先导致加热元件RH由于较低的散热量而过度加热，使得在关断边缘之后，冷却阶段的开始温度太高而无法在时间ΔtMess处达到例如2K的预期的过热温度ΔTsoll。事实上，首先超过了在时间ΔtMess处的预期的过热温度ΔTsoll。微控制器10识别该差异并且通过减小脉冲宽度并因此缩短加热时间来相应地重新调整加热电压UH。导致加热元件现在通电较短时间，加热介质的程度较低，使得冷却阶段的起始温度现在较低。微控制器10重复这些步骤，直到由其设定的脉冲宽度，即加热时间，使得再次测得在该时间ΔtMess处的例如2K的预期过热温度ΔTsoll。这种情况如图2b所示。
如果从图2a中的情况开始，流率增加，这将首先导致加热元件RH由于较大的散热量而不足以加热，使得在关断边缘之后冷却阶段的起始温度太低，无法在该时间ΔtMess处达到预期的过热温度(例如2K)。将首先削减在时间ΔtMess处的预期的过热温度ΔTsoll。微控制器10识别该差异并且通过延长脉冲宽度并因此延长加热时间来相应地重新调整加热电压UH。加热元件现在通电较长时间，并因此将介质加热到更高的温度，使得冷却阶段的起始温度现在更高。微控制器10重复这些步骤直到由其设定的脉冲宽度，即加热时间，导致预期的过热温度再次在时间ΔtMess处测得。这种情况如图2b所示。
加热阶段的持续时间，即PWM信号的占空比，并且因此消耗的加热功率最终是流率的度量。
除其他外，该流量计的优点在于，由于对于适配而言只有微控制器10的软件调整是必需的，它可以普遍用于各种介质。此外，通过PWM操作，电路的功率损耗更低。总之，借由本发明可以实现更高的测量动态，即更高的测量速度和特性的线性改善。
参考符号列表
1 测量管
10 微控制器
10a-c 微控制器的输入端和输出端
11 放大器
12 开关
13a 电源
13b 电源
14 差分放大器
15 放大器

Claims (6)

1.一种热流量计，用于在非恒定介质温度下的过程测量技术中使用，所述热流量计包括：加热元件，所述加热元件与流动介质热耦合并由此将其加热功率传递给所述流动介质；及两个温度传感器(RSM，RH)，通过相应的电源(13a，13b)向所述两个温度传感器(RSM，RH)提供测量电流，
其中，第一温度传感器(RSM)检测所述流动介质不受所述加热元件影响的区域中的所述流动介质的温度作为参考温度TMedium，而第二温度传感器(RH)检测所述加热元件的温度THeiz，
其中，所述第二温度传感器(RH)还用作所述加热元件，且所述两个温度传感器(RSM，RH)以及因此所述加热元件连接到控制单元(10)，所述控制单元(10)提供供给所述第二温度传感器(RH)的方波信号，使得所述第二温度传感器(RH)在高相位作为加热元件(RH)并在低相位作为温度传感器，
其中，所述控制单元(10)控制由所述第二温度传感器(RH)形成的所述加热元件的加热功率，使得借助定时元件，温度差ΔT＝THeiz-TMedium在所述方波信号的关断边缘之后的指定时间ΔtMess处呈现预定值，
其中，为了控制作为所述流动介质的流速的量度的方波信号的占空比，所述控制单元(10)被布置成在ΔT>ΔTSoll的情况下缩短所述方波信号的脉冲宽度使得所述第二温度传感器(RH)加热较短的时间，而在ΔT<ΔTSoll的情况下，延长所述方波信号的脉冲宽度，使得所述第二温度传感器(RH)加热较长的时间。
2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述控制单元(10)配置为微控制器。
3.根据权利要求1或2所述的流量计，其特征在于，所述方波信号配置为PWM信号，所述PWM信号为脉宽调制信号。
4.用于操作热流量计的方法，所述热流量计应用在非恒定介质温度下的过程测量技术中，所述热流量计包括加热元件，所述加热元件与流动介质热耦合并由此将其加热功率传递给所述流动介质；及两个温度传感器(RSM，RH)，通过相应的电源(13a，13b)向所述两个温度传感器(RSM，RH)提供测量电流，
其中，第一温度传感器(RSM)检测所述流动介质不受所述加热元件影响的区域中的所述流动介质的温度TMedium作为参考温度TMedium，而第二温度传感器(RH)检测所述加热元件的温度THeiz，
其中，所述第二温度传感器(RH)也用作所述加热元件，
其中，两个温度传感器(RSM，RH)，以及加热元件(RH)都连接到控制单元(10)，所述控制单元(10)提供供给所述第二温度传感器(RH)的方波信号，所述控制单元(10)控制由所述第二温度传感器(RH)形成的所述加热元件(RH)的加热功率，使得借助定时元件，温度差ΔT＝THeiz-TMedium在所述方波信号的关断边缘之后的指定时间ΔtMess处呈现预定值，并且其中，所述温度差ΔT仅在方波信号的关断边缘之后的指定时间点ΔtMess周期性地确定，
其中，所述控制单元(10)将测量的温度差ΔT与预定值ΔTSoll进行比较，
其中，为了控制作为所述流动介质的流速的量度的方波信号的占空比，所述控制单元(10)在ΔT>ΔTSoll的情况下缩短所述方波信号的脉冲宽度使得所述第二温度传感器(RH)加热较短的时间，而在ΔT<ΔTSoll的情况下，延长所述方波信号的脉冲宽度，使得所述第二温度传感器(RH)加热较长的时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制单元(10)配置为微控制器。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方波信号配置为PWM信号，所述PWM信号为脉宽调制信号。
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脉冲调制输出的CMOS集成硅气体流量传感器;Goran Stemme;《遥测遥控》;19900501;第11卷(第2期);第54-58页 *

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