CN110945325B - 热式流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测通过管道(5)的自由流动的介质(4)的质量流量和/或流速的设备(1)，设备(1)包括至少一个加热元件(2)，加热元件(2)至少部分地和/或暂时地与介质(4)热接触，并且加热信号可以至少暂时地应用于加热元件(2)。本发明进一步涉及一种用于生产根据本发明的设备的方法。根据本发明，在面向介质(4)的区域中，固定元件(2)至少部分地被单元(8)包围，单元(8)包括具有各向异性的热导率的材料。

Description

热式流量计

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测通过管道的可流动介质的质量流量和/或流速的装置以及一种用于生产本发明的装置的方法。该装置包括加热元件，该加热元件至少部分地和/或有时与介质热接触并且至少有时通过加热信号可操作。

背景技术

热式或量热式流量计通常应用在过程和/或自动化技术中。申请人生产和销售对应的现场设备，例如，以t-switch、t-trend和t-mass为商标。从现有技术本身已知热式或量热式流量计的基础的测量原理。从根本上说，流量，尤其是质量流量可以通过两种不同的方式确定。

在第一测量原理的情况下，传感器元件暴露于流过管道的介质并且以使其温度基本保持恒定的这种方式被加热。在已知的并且至少有时是恒定的情况下，可以通过将温度保持在恒定值所需的加热功率确定介质的性质，诸如介质的温度、其密度或甚至其组成、流经管道的介质的质量流量的性质。在这种情况下，介质的温度是该介质所具有的温度，而没有加热元件的额外热量输入。

相反，在替代测量原理的情况下，加热元件以恒定的加热功率和在加热元件下游测量到的介质的温度来操作。在这种情况下，测量到的介质温度会给出有关质量流量的信息。

而且，在所描述的两个测量原理的情况下，尤其是在介质的温度可变的情况下，第二传感器元件可以用于介质的温度测量。

热式流量计的加热元件通常以电阻加热器的形式被实施。例如，应用所谓的电阻元件(例如，RTD电阻元件(电阻温度检测器))，尤其是铂元件，诸如可在市场上以PT10、PT100和PT1000的名称获得。电阻元件经由例如由于增加了电流供应而提供给它们的电能的转换被加热。

为了记录质量流量和/或流速，使加热元件至少有时和/或部分地与介质热接触。在这方面，传感器元件可以例如直接放置在管道处或管道中，或者集成到传感器头中，该传感器头又可安装在现有管道中。在现有技术中描述的这两个以及其他选择是本发明的主题。

流量的确定基本上是基于以下知识：特定传感器元件和流动介质之间的热结电阻根据流速而变化。例如，如果在管道中没有出现流量，则经由导热、热辐射以及在给定的情况下还经由介质内的自由对流来进行热量从加热元件的排出。为了根据所描述的两个测量原理中的第一个保持一定的温度差，那么例如需要一定量的热量随时间恒定。相反，在存在流量的情况下，通过流动的，尤其是较冷的介质导致传感器元件的额外冷却。由于强制对流，发生了额外的热传输。因此，作为流量的结果，必须提供增加的加热功率，以便能够保持固定的温度差。

加热功率或测量到的温度与通过管道的介质的质量流量和/或流速之间的函数关系也可以通过所谓的传热系数来表达。另外，介质的各种热物理性质以及管道中的压力对测量到的流量都有影响。为了也考虑流量对这些变量的依赖性，例如，将不同的热物理性质以特征线的形式或作为函数方程的分量存储在流量计的电子单元内。

对于测量的高精度，加热元件与流动介质之间的热接触基本上是决定性的。因此，例如，在另外恒定的流量条件的情况下，加热元件的热阻的改变(导致从加热元件到介质的热传递的改变)可能会导致相当大的测量值误差。以这种方式引起的热阻的变化也称为传感器漂移。

关于流量计中的热阻，区分内部热阻和外部热阻。内部热阻尤其取决于传感器元件内(例如，套管内)的各个组件。因此，传感器漂移可能来自由于材料膨胀等引起的拉伸载荷的焊接连接中的缺陷。相反，外部热阻受与介质接触的特定传感器元件的表面上的积垢形成、材料去除或材料变形(例如，腐蚀)的影响。因此，特别是在长时间操作和/或与侵蚀性介质接触的情况下，外部热阻的变化尤其重要。而且，在气体或蒸汽介质的情况下，在至少一个温度传感器上的冷凝物的形成也可能会劣化质量流量或流速的测量。

除了使用结构措施来确保稳定的热接触的各种努力之外，通常还检测、监测和/或补偿发生的传感器漂移。根据DE102005057687A1、DE102007023823A1、US8590360B2或甚至WO/2008/142075A1，涉及外部热阻的变化，已知各种流量计，通过这些流量计可以对所使用的传感器元件进行诊断。因此，可以获得与至少一个所使用的传感器元件的状况有关的信息。关于内部热阻，从DE102014119223B3中又已知传感器漂移的定位。具体地，可以推断出内部热阻的变化。

发明内容

本发明的目的是一种具有高测量精度的流量计及其制造方法。

该目的通过本申请所限定的装置和方法实现。

本发明的装置用于确定和/或监测通过管道的可流动介质的质量流量和/或流速，并且包括加热元件，该加热元件至少部分地和/或有时与介质热接触并且至少有时通过加热信号可操作。

根据本发明，在介质与加热元件之间在至少子区域中布置有单元，该单元包括具有各向异性的热导率的材料。在这方面，各种实施例都是可能的，所有这些都落入本发明的范围内。在这种情况下，确切的实施例尤其取决于特定的测量设备和几何情况。例如，加热元件和单元可以彼此叠置或彼此相邻布置。然而，加热元件也可以在面向介质的区域中至少部分地被单元包围。这种实施例可以与从先前未公开的德国专利申请102017100267.7(CA 3049706)已知的温度计结合使用，在本发明的上下文中对其进行全面参考。此处在本发明的上下文中要注意的是，该单元可以直接布置在加热元件与介质之间。同样地，其他中间层可以位于加热元件与单元之间，或单元与介质之间。例如，管道的壁可以位于单元与介质之间。

为了确定和/或监测介质的质量流量和/或流速，将加热元件放置成与介质接触，尤其是热接触。在该装置与介质之间发生热交换。在这种情况下，传感器元件与流动介质之间的热结电阻根据主导流速而变化。因此，存在从加热元件到介质的热流或热通量。

从加热元件到介质的热流不均匀或各向同性的许多不同情况都是可能的。例如，由于流量计中的特定布置，尤其是结构布置，从加热元件到介质的热通量可能会导致各向异性的热流。通过示例，为此可能会导致加热元件的不同区域与介质之间的不同间隔以及测量设备内不同触点的质量。因此，实际上，热结电阻不仅取决于质量流量，而且还取决于介质的流动方向或安装条件，例如，相对于介质的流动方向的定位。

当测量设备暴露于至少时间上和/或部分动态和/或不均匀的热环境时，这尤其成问题，例如，在流动方向可变的流动介质中应用的情况下，例如，在流量分布不均匀的情况下。

当然，大量其他情况可能会导致热接触电阻的偏移。结果，可能会发生相当大的测量误差。为了防止根据本发明的这些问题，至少部分地包括具有各向异性的热导率的材料的单元在介质与加热元件之间在至少子区域中布置。由于单元的热导率是与方向有关的，因此针对特定的预期应用，针对测量设备的从加热元件到介质的热流在给定情况下可能会有针对性地受到有利影响。

在优选实施例中，该单元被实施为确保装置的热结电阻与介质的流动方向无关，或者与介质的主导流量分布无关。因此，该单元尤其要注意确保从传感器头到介质能够产生均匀的热流，尤其是与装置的热环境无关。同样地，该单元优选地要注意确保热结电阻与装置区域中的某些生产公差和结构上相关的不对称几何条件无关。

在本发明的装置的附加优选实施例中，该单元包括层或涂层，该层或涂层至少部分地由具有各向异性的热导率的材料构成。因此，该层优选地在纵向上沿着与该层或涂层平行的平面具有比与其垂直的方向(即，垂直于该层或涂层的平面)更大的热导率。通过这种方式，热流有针对性地沿着该单元重新分配。

在特别优选的实施例中，该单元包括薄膜，该薄膜至少部分地由具有各向异性的热导率的材料构成。同样地，该膜优选地沿其纵轴具有比垂直于其纵轴更高的热导率。

在附加的特别优选的实施例中，具有各向异性的热导率的材料是至少部分地包含碳尤其是石墨的材料，或者该材料是六方氮化硼。

在装置的实施例中，加热元件和/或单元至少部分地布置在传感器头内。优选地，以这种方式实施和/或布置该单元：其至少部分地围绕温度传感器和测量元件。因此，该单元要注意在传感器头的圆周方向上的热分布。

在这种情况下，该装置有利地包括填充物，该填充物至少部分地布置在传感器头内，并且至少部分地，优选完全地填充传感器头的内部空间。同样优选地，同样至少部分地布置在传感器头内的单元至少部分地被填充物包围。填充物尤其是具有基本均匀的热导率和/或热容的材料。填充物因此确保了传感器头内的基本均匀的，尤其是各向同性的热流。例如，填充物可以是水泥，尤其是氧化镁、硅酸锆和磷酸镁的混合物。

同样有利的是，以这种方式实施和/或布置该单元：该单元在平行于传感器头的圆周方向具有比垂直于圆周方向更高的热导率，特别地高于至少10倍，特别地高于至少30倍。该实施例特别有利地至少在时间上和/或部分动态和/或不均匀的热环境中使用，例如，用于在具有不均匀的流量分布的流动介质中或甚至在可变的流速的情况下。

最后，针对具有传感器头的装置的实施例同样有利的是，该单元至少部分地固定在传感器头的面向传感器头的内部的壁的子区域中。因此，该单元被布置在传感器头的面向介质的表面区域中。该单元沿着传感器头的表面提供了热流的外围分布。然后，在传感器头的对应实施例的情况下，从传感器头的表面出现有利地基本上均匀的到介质的热流。

例如，通过填充物质的至少一部分和/或通过例如管状元件形式的固定元件将单元固定在传感器头的壁上。管状元件尤其是陶瓷管，其外径基本上等于传感器头的内径，或者略小于传感器头的内径，以使得管状元件可以基本上准确地安装在传感器头内。

替代实施例规定，该单元固定至管道的壁或集成到管道中。在这方面，本领域技术人员已知的用于将单元固定至管道的所有选项(例如通过粘合剂、焊接等)以及用于将单元集成到管道中的所有通常已知的选项(例如通过铸造等)都是可能的，并且落入本发明的范围内。

针对该替代实施例，有利的是，将加热元件至少分段地放置在单元上，使得加热元件被布置在该单元的中远区域中。因此，在这种情况下，该单元在面向介质的区域中至少分段地，优选完全地位于介质与加热单元之间。

同样有利地，以这种方式实施和/或布置该单元：该单元在平行于管道的圆周方向具有比垂直于圆周方向更高的热导率，特别地高于至少10倍，特别地高于至少30倍。

本发明的装置的特别优选的实施例包括，单元根据加热信号被定尺寸和/或布置，使得可预定量的热量被从加热元件传递到介质。

在这方面，该单元的至少一个表面子区域的至少一个表面面积根据加热信号被优选地定尺寸，使得可预定量的热量被从加热元件传递到介质。

此外，通过一种用于生产本发明的装置的方法来实现本发明的目的，其中，以这种方式布置加热元件：加热元件至少部分地和/或有时与介质热接触，以及其中，在介质与加热元件之间在至少子区域中布置有包括具有各向异性的热导率的材料的单元。

在方法的实施例中，加热元件和/或单元至少部分地布置在传感器头内。

该方法的另一实施例包括，将单元放置在管道的壁上，其中，加热元件至少分段地放置在单元上，使得加热元件被布置在单元的中远区域中。

此处要注意的是，结合装置解释的实施例也可以比略加修改地应用于所提出的方法，反之亦然。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，其附图如下所示：

图1为流量计的示意图，在这种情况下，本发明的加热元件和单元被布置在传感器头中，

图2为流量计的示意图，在该情况下，单元和加热元件被放置在管道的壁上，以及

图3为图示了单元的几何实施例对确定流量的影响的示意图。

在附图中相同特征被提供有相同附图标记。

具体实施方式

图1示出了热式流量计1，在该热式流量计的情况下，在传感器头3中布置有加热元件2。传感器头3又伸入输送介质4的管道5中。在本发明的上下文中，为了将测量设备1应用在管道5上，本领域技术人员公知的所有选项都是可能的，并且落入本发明的范围内。

通过传感器头3，加热元件2至少部分地并且至少有时与介质4热接触。在本示例中，传感器头3是圆柱形的，然而本发明并不限于传感器头3的圆柱形对称。在本发明的其他实施例中，此外，该设备还可以包括两个加热元件2或加热元件2以及附加的温度传感器[未示出]。通过连接线6，加热元件2与电子单元7连接，该电子单元7用于信号记录、评估和馈电。此处要注意的是，所使用的连接线的数量可以根据实施例而变化。

在操作中，加热元件2可以例如由于输送可变的加热功率P以将其加热到可预定的温度T或通过在可变温度T下输送恒定的加热功率P来操作以确定流量或流速。因此，从根本上说，在测量设备1与介质4之间发生热交换，或者从加热元件2到介质4的热流或热通量发生。在这种情况下，加热元件2与流动介质4之间的热结电阻在每种情况下都根据主导流速v而变化。

为了高精度的测量，必须确保从加热元件2到介质4的热流尽可能均匀。例如，由于流量计1中的特定布置，尤其是结构布置，从加热元件2到介质4的热通量可能会导致各向异性的热流。通过示例，此处可以命名加热元件2的不同区域与介质之间的不同距离以及测量设备1内的不同触点的质量。因此，实际上，热结电阻不仅取决于质量流量，同样地还取决于介质4的流动方向，并且还取决于安装条件，例如，相对于介质4的流动方向的定位。当测量设备1暴露于至少有时和/或部分动态和/或不均匀的热环境时，例如为了在具有可变流动方向的流动的介质4中应用，例如，在流量分布不均匀的情况下，这尤其成问题。

根据本发明，热式流量计1应用单元8，该单元8包括具有各向异性的热导率的材料，以防止由这种问题引起的测量误差。例如，该单元至少部分地由石墨组成。单元8布置在介质与加热元件2之间的至少一个子区域中。在实施例的本示例中，单元8与加热元件2一起布置在传感器头3中并且围绕加热元件2。通过单元8，可以有针对性地相应地影响从加热元件2发出的热流，尤其关于在特定热量的传播方向。

在实施例的本示例中，单元8是圆柱形套筒形式的薄膜，其具有底表面B和侧表面M，其在面向介质4的区域中完全围绕加热元件2。例如，本发明的单元8的其他可能实施例可以取自先前未公开的德国专利申请102017100267.7。此外，在附加的制造步骤中，传感器头3内剩余的中空空间可以填充有合适的，尤其是电绝缘的填充物[未示出]，尤其是水泥。

由于单元8的热导率是与方向有关的，因此针对特定的预期应用，从加热元件2到测量设备1的介质4的热流在给定情况下可能会有针对性地受到有利影响。在本示例中，单元8确保至介质4的热流是各向同性的。

优选地，单元8被实施为确保热结电阻始终与介质4针对传感器头3的流动方向无关，即，与介质4的主导流量分布无关。同样地，单元8优选地确保热结电阻与某些生产公差无关，并且在测量设备1的区域中，特别是在传感器头3的区域中，与在结构上相关的、不对称的几何条件无关。在本示例中，因此，单元8的热导率优选是在与圆柱形膜的侧表面M平行的圆周方向上比在其垂直方向上大。因此，与加热单元2在传感器头3内的布置无关地，发生了到介质4的热流，该热流在所有方向上均从传感器头3的壁向外均匀地发生。

在图2中示出了本发明的热式流量计1的第二可能实施例。在该示例中，单元8和加热元件2被应用在输送介质4的管道5的外壁上。可替代地，单元8和/或加热元件2也可以至少部分地集成到管道5中。在每种情况下，单元8位于加热元件2与介质4之间。

单元8可以例如与图1的情况一样实施为薄膜，或甚至实施为在管道5上施加的涂层。在该实施例中，因此，沿着区域A，与管道5的壁平行的单元8的热导率优选地比垂直于管道5的壁更大。因此，从加热元件2散发出的热量首先沿着区域A传播，然后经由管道5的壁从单元8传播到介质4。

例如，图2中的电子单元7与传感器头3分开布置，并且通过连接线6与加热元件2连接。可替代地，针对图1中的实施例也可以使用分开布置的电子单元7，或者图2的流量计1可以以紧凑的结构加以实施，诸如图1所示。

单元8的几何实施例和尺寸确定了所谓的加热表面的大小，并且根据本发明可以根据所使用的加热信号来加以选择以使得单元8将可预定量的热量从加热元件2传递给介质4。在图1的情况下，例如，由于侧表面M或单元8的侧表面M的面积的变化，可以适当地选择加热表面；相反，在图2的实施例的情况下，与管道5的壁平行的区域A的表面面积可以改变。

通过示例，图3示出了两个测量设备1，该测量设备1分别具有布置在同样实施的传感器头3中的相同的加热元件2和具有相同材料的两个单元8，然而具有不同的侧表面M的面积，在每种情况下，所谓的传感器特征曲线，示出了根据质量流量m的加热电压U。在这种情况下，特征曲线S1用于较小的侧表面面积M，并且特征曲线S2用于较大的侧表面面积M。侧表面面积的确切大小并不重要，因为此处的目的只是显示相对行为。可以通过适当选择单元8的面积来有针对性地影响特征曲线。因此，例如，可以通过在更大的区域上通过单元8分配相同的加热功率来实现的加热表面面积的增大会导致更平坦的特征曲线。通过这种方式，可以覆盖扩大的动态范围。相反，在特定测量设备的更高期望灵敏度的情况下，尤其是在低流速的情况下，较小的加热表面面积是有利的。因此，单元8不仅能够使热量分布均匀化，而且还提供了例如根据介质4的流量条件针对特定应用针对性地选择传感器特征曲线的机会。

参考标记列表

1 流量计

2 加热元件

3 传感器头

4 介质

5 管道

6 连接线

7 电子单元

8 单元

v 流速

M 单元的侧表面

B 单元的底表面

A 单元的面积

P 加热功率

T 温度

Claims (19)

1.一种用于确定和/或监测通过管道(5)的可流动介质(4)的质量流量和/或流速的装置(1)，所述装置(1)包括：

至少一个加热元件(2)，所述至少一个加热元件(2)至少部分地和/或有时与所述介质(4)热接触并且至少有时通过加热信号可操作，

其特征在于，

在所述介质(4)与所述加热元件(2)之间在至少子区域中布置有单元(8)，所述单元(8)包括具有各向异性的热导率的材料，

其中，所述单元(8)包括层或涂层，所述层或涂层至少部分地由具有各向异性的热导率的所述材料构成，

其中，所述单元(8)包括薄膜，所述薄膜至少部分地由具有各向异性的热导率的所述材料构成，并且

其中，所述层、涂层或薄膜在纵向上具有比与其垂直的方向更大的热导率。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，

其中，具有各向异性的热导率的所述材料是至少部分地包含碳的材料，或者所述材料是六方氮化硼。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，

其中，具有各向异性的热导率的所述材料是至少部分地包含石墨的材料，或者所述材料是六方氮化硼。

4.根据权利要求1中所述的装置(1)，

其中，所述加热元件(2)和/或所述单元(8)至少部分地被布置在传感器头(3)中。

5.根据权利要求4所述的装置(1)，

所述装置(1)进一步包括填充物，所述填充物至少部分地被布置在所述传感器头(3)内，并且至少部分地填充所述传感器头(3)的内部空间。

6.根据权利要求4所述的装置(1)，

所述装置(1)进一步包括填充物，所述填充物至少部分地被布置在所述传感器头(3)内，并且完全地填充所述传感器头(3)的内部空间。

7.根据权利要求4-6中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于所述传感器头(3)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向更高的热导率。

8.根据权利要求4-6中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于所述传感器头(3)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向高于至少10倍的热导率。

9.根据权利要求4-6中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于所述传感器头(3)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向高于至少30倍的热导率。

10.根据权利要求1所述的装置(1)，

其中，所述单元(8)被固定至管道(5)的壁，或者被集成到所述管道(5)中。

11.根据权利要求10所述的装置(1)，

其中，所述加热元件(2)以这种方式被至少分段地放置在所述单元(8)上：所述加热元件(2)被布置在所述单元(8)的中远区域中。

12.根据权利要求10或11中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于管道(5)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向更高的热导率。

13.根据权利要求10或11中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于管道(5)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向高于至少10倍的热导率。

14.根据权利要求10或11中任意一项所述的装置(1)，

其中，以这种方式实施和/或布置所述单元(8)：所述单元(8)在平行于管道(5)的圆周方向具有比垂直于所述圆周方向高于至少30倍的热导率。

15.根据权利要求1所述的装置(1)，

其中，所述单元(8)根据所述加热信号被定尺寸和/或布置，使得可预定量的热量被从所述加热元件(2)传递到所述介质(4)。

16.根据权利要求15所述的装置(1)，

其中，所述单元(8)的表面子区域(M,A)的至少一个表面面积根据所述加热信号被定尺寸，使得可预定量的热量被从所述加热元件(2)传递到所述介质(4)。

17.一种用于生产根据权利要求1-16中任意一项所述的装置(1)的方法，其中，以这种方式布置加热元件(2)：所述加热元件(2)至少部分地和/或有时与所述介质(4)热接触，以及其中，在所述介质(4)与所述加热元件(2)之间在至少子区域中布置有单元(8)，所述单元(8)包括具有各向异性的热导率的材料。

18.根据权利要求17所述的方法，

其中，所述加热元件(2)和/或所述单元(8)至少部分地被布置在传感器头(3)中。

19.根据权利要求17所述的方法，

其中，所述单元(8)被放置在所述管道(5)的壁上，以及其中，所述加热元件(2)以这种方式被至少分段地放置在所述单元(8)上：所述加热元件(2)被布置在所述单元(8)的中远区域中。

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