CN111094906B - 确定和/或监测可流动介质的流量的装置和操作其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测通过管道或管(2)的可流动介质(M)的体积流量、质量流量和/或流速的装置(1)，并且涉及一种用于操作本发明的装置(1)的方法。装置包括加热元件(4)，其与介质(M)至少部分地和/或有时进行热接触并且至少有时借助于加热信号可加热；以及第一温度传感器(5)，其用于记录尤其是装置(1)的至少一个组件的温度或介质(M)的温度，并且至少有时借助于第一温度信号可操作，其中加热元件(4)和第一温度传感器(5)布置在介质(M)流过的管道或管(2)的内容积(V)的外部。根据本发明，装置包括至少一个耦合元件(3)，其至少部分地与加热元件(4)、第一温度传感器(5)和/或管道或管(2)的一部分进行热接触，并且用于确保加热元件(4)和第一温度传感器(5)之间以及加热元件(4)和介质(5)之间的热耦合。

Description

确定和/或监测可流动介质的流量的装置和操作其的方法
技术领域
本发明涉及用于确定和/或监测管道内可流动介质的体积流量、质量流量和/或流速的装置和用于操作本发明的装置的方法。装置包括加热元件和第一温度传感器。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借助于加热信号可加热。继而，第一温度传感器用于记录装置的至少一个组件的温度或介质(M)的温度并且借助于第一温度信号可操作。
背景技术
热流量计或量热流量计在过程和/或自动化技术中有多种应用。相应的现场设备由申请人在各种各样的实施例中生产并例如以t-switch、 t-trend、t-mass或Flowphant的标志出售。基础测量原理从现有技术中是已知的。在本发明的上下文中，术语流量包括介质的体积流量以及质量流量。同样，可以确定介质的流速。从根本上说，流量可以通过两种不同的方式确定。
根据第一测量原理，传感器元件暴露于流经管道的介质中并以使其温度保持基本恒定的方式被加热。在已知和至少有时介质的特性是恒定的情况下——特性诸如介质的温度、其密度或甚至其组成，流过管道的介质的质量流量可以根据用于保持温度在恒定值所需的加热功率来确定。在这种情况下，术语介质的温度指的是介质没有加热元件的额外热量输入时具有的温度。
在可替代的测量原理的情况下，相反，加热元件在恒定的加热功率下工作并测量加热元件的下游介质的温度。在这种情况下，所测量的介质的温度提供关于质量流量的信息。
此外，在两种所述测量原理的情况下，尤其是在介质温度可变的情况下，第二传感器元件——例如温度传感器——可以用于介质的温度测量。
热流量计的加热元件通常采用电阻加热器的形式。例如，可以应用所谓电阻元件——例如RTD电阻元件(电阻温度检测器)，尤其是铂元件，诸如以PT10、PT100和PT1000的名称而商业可获得。电阻元件通过提供给它们的电力的转换例如作为增加的电流供应而被加热。
基本上基于传感器元件和流动介质之间的热接触电阻随流速而变化的事实确定和/或监测体积流量质量流量、和/或流速。例如，如果在管道中没有流量，对来自加热元件的热量的记录经由过热传导、热辐射以及在特定情况下也经由介质内的自由对流进行。那么，例如根据两个所描述的测量原理中的第一个为了保持特定的温度差，需要随着时间恒定的一定量的热量。相反，在有流量的情况下，通过流动的、尤其是更冷的介质对传感器元件进行了额外冷却。由于强制对流而发生了额外传热。相应地，作为流动的结果，必须提供增加的加热功率，以便能够相对于介质的温度保持固定的温度差。类似的考虑适用于两个所描述的测量原理中的第二个。
加热功率或所测量的温度以及通过管道的介质的流量和/或流速之间的关系也可以借助于所谓的传热系数表示。此外，介质的不同热物理特性和管道中的主导压力对所测量的流量有影响。例如，也为了考虑流量对这些变量的依赖性，将不同的热物理特性以特征线或函数方程分量的形式存储在流量计的电子单元内。
为了测量的高精度，基本上，加热元件和流动介质之间的热接触是决定性的。因此，例如会引起相对于在恒定流量条件的情况下的从加热元件到介质的传热的变化的加热元件的热阻的变化能够导致相当大的测量值误差。以这种方式引起的热阻变化也称为传感器漂移。
关于流量计中的热阻，在内热阻和外热阻之间有区别。内热阻尤其取决于传感器元件内的各个组件，例如其中的套筒。因此，作为来自材料膨胀等的拉伸负荷使在焊接连接中出现缺陷的结果，会发生传感器漂移。相反，外热阻受到与介质接触的传感器元件表面上的积垢形成、材料去除或材料转变(例如腐蚀)的影响。因此，外热阻的变化尤其是与长时间的运行和/或与腐蚀性介质接触的情况有关。此外，在气体或蒸汽介质的情况下，质量流量或流速的测量也可能由于至少一个温度传感器上的冷凝而降低。
为了记录体积流量、质量流量和/或流速，加热元件至少有时和/ 或部分地与介质进行热接触。在这方面，加热元件通常至少部分地被引入到管道中或集成到一个可安装到现有管道中的传感器头中。由于加热元件与流动介质之间的热接触电阻的变化基本上是可以直接检测到的，因此通过将传感器元件集成到管道或管中，可以确保测量设备的快速响应时间和测量的高精度。
然而，对于某些应用，传感器单元向内伸入到过程中也可能是不利的。一方面，与此相关的是测量设备的安装或更换，然后其需要直接与过程进行交互。此外，伸入到过程中的传感器单元也会影响管道中介质的流动。
用于确定流量的非过程接触式测量设备是已知的，例如以夹钳式超声波流量计的形式。在这种装置中，传感器单元可从外部固定在管道或管上并且不会伸入到过程中。这样的测量装置由申请人制造并且例如以Proline Prosonic的名称出售。
当应用热测量原理或量热测量原理时，这种类型的结构在不与过程直接接触的情况下非常难以实施。例如，输送介质的特定管道或管以及管道或管的外部环境，尤其是环境温度，对测量设备的热性能以及加热元件、介质和特定情况下的温度传感器之间的热流有很大的影响。因此，热或量热流量计的传感器单元的外部定位会导致对流量变化的响应时间缩短，并且在特定情况下，与过程接触设备相比还会降低测量精度。
发明内容
基于这些考虑，本发明的目的是提供具有高测量精度的热流量计，其中可以以特别容易的方式来安装和更换热流量计。
这个目的由权利要求1所要求的装置和权利要求14所要求的方法来实现。
关于装置，本发明的目的由用于确定和/或监测通过管道或管的可流动介质的体积流量、质量流量和/或流速的装置实现。装置包括加热元件，其至少部分地和/或有时与介质进行热接触并且至少有时借助于加热信号可加热；以及第一温度传感器，其用于记录尤其是装置的至少一个组件的温度或介质的温度，并且至少有时借助于第一温度信号可操作。另外，加热元件和第一温度传感器被布置在介质流过的管道或管的内容积的外部。
根据本发明，此外，装置包括至少一个耦合元件，其至少部分地与加热元件、第一温度传感器和/或管道或管的一部分进行热接触，并且用于确保加热元件与第一温度传感器之间以及加热元件与介质之间的热耦合。
因此，就本发明的装置而言，关注的是在其传感器单元不向内伸入到过程中的情况下的测量装置。以这种方式，可以避免对流过管的介质的流量剖面的影响。
为了向加热元件和第一温度传感器供应加热信号和第一温度信号，设备包括例如至少一个电子单元。在这种情况下，加热元件和第一温度传感器的操作可以耦合，或者可以彼此独立地发生。此外，脉冲以及时间连续的加热信号和第一温度信号都是可能的。
本领域技术人员已知的所有选项都可以用作加热元件和温度传感器。例如，加热元件可以是电阻元件，诸如上面已经提到的。温度传感器同样可以以电阻元件的形式实施。替选地，例如，温度传感器也可以是热电偶。
为了确定和/或监测介质的质量流量和/或流速，加热元件被用于与介质接触，尤其是热接触。热交换发生在装置和介质之间。在这种情况下，传感器元件和流动介质之间的热接触电阻随主导流速而变化。因此，发生了从加热元件到介质的热运动或热流动。
然而，由于加热元件被布置在由介质流过的管道或管的内容积的外部，不仅发生从加热元件到介质的热流，而且同样发生从加热元件到加热元件周围的组件——例如测量设备或测量点的组件，尤其是那些与加热元件机械或热接触的组件——的热流，以及流向管道或管甚至环境的热流。这进而可以导致测量值相当大的损失。因此，在实践中，热接触电阻不仅取决于介质的流动，而且原则上还取决于测量点、测量设备的实施方式以及各个组件的相应机械或热接触。当然，许多其他影响同样可以导致所确定的热接触电阻的损坏，并且同样起主要作用。
本发明的耦合元件用于避免与不伸入到过程中的热流量计有关的这类问题。由于耦合元件确保了加热元件与第一温度传感器之间的热耦合以及加热元件与介质之间的热耦合，因此将从加热元件到测量设备或测量点的其他组件、下至尤其是远离测量设备的管、或甚至到环境的热运动或热流动最小化。因此所确定的热接触电阻所不希望的损坏相应地显著减少或最小化。
耦合元件至少部分地由具有各向异性导热系数的材料构成，优选的实施例提供的耦合元件至少部分地包括含碳材料，尤其是石墨或六方氮化硼。关于各向异性导热系数，参考德国专利申请102017100267.7 (自本申请的最早提交日起未公开)，其中结合温度计描述了相应材料的使用，以及德国专利申请第102017116408.1号(同样的自本申请的最早提交日起未公开)，其中结合温度计描述了相应材料的应用。在本发明的上下文中全面参考了这两个申请。
对于耦合元件的实施例存在许多选项，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测量装置的不同方面，因此也取决于特定的几何情况。例如，加热元件和第一温度传感器既可以布置在彼此之上也可以彼此相邻，这导致耦合元件的不同布置。在每种情况下，耦合元件都在加热元件与第一温度传感器之间以及在加热元件与介质之间进行热耦合。在加热元件和介质之间，除了耦合元件之外，还可以有管道或管的壁。在这种情况下，耦合元件被应用在管道或管上。但是，耦合元件也可以集成到管道或管的分段部分中。在这方面，耦合元件可以作为管道或管的分段部分被实施。
最后，在附加实施例中，耦合元件也可以在第一温度传感器和介质之间提供直接的热耦合。耦合元件尤其由具有高导热系数的材料制成。例如，材料可以是金属材料。
在实施例中，耦合元件以层，涂层或膜，尤其是薄膜的形式实施。特别地，耦合元件是基本上二维元件，尤其是应用于管道或管的壁的轮廓上。在这种情况下，耦合元件可以具有例如三角形，四边形，圆形或甚至椭圆形区域。
在实施例中，装置进一步包括可集成到现有管道的测量管，其中至少有加热元件、第一温度传感器和耦合元件被布置在测量管的壁上或壁中。替选地，选项是装置被实施为可附接在管道或管的外部。在这种情况下，装置是夹钳式测量设备。
与装置是否包括测量管或被实施为夹钳式测量设备无关，装置有利地包括固定单元，尤其是用于将装置的至少一个组件可释放地固定到管道或测量管上。
装置的优选实施例提供耦合元件至少部分地被布置在加热元件与第一温度传感器之间，尤其是在第一温度传感器的远离介质的区域 (media far region)。在这种情况下，温度传感器被放置在或引入到管道或测量管中。继而，位于温度传感器的远离管道或测量管的一侧上的是耦合元件，随后是加热元件。
替代的优选实施例提供加热元件和第一温度传感器基本上在平面中彼此相邻布置，其中耦合元件被布置在介质和第一温度传感器以及加热元件之间。在这种情况下，耦合元件相应地放置在或引入到管道或测量管中。继而，在耦合元件的远离管道或测量管的一侧上毗连的是加热元件和第一温度传感器。
有利地，耦合元件以下述方式布置在管道上或在测量管上/中：使得第一温度传感器和加热元件之间的虚构连接线相对于穿过管道或管的纵轴具有预定角度和/或其中耦合元件的宽度和/或厚度沿着耦合元件的长度是至少分段可变的和/或其中耦合元件至少在第一部分中由第一材料制成，并且至少在不同于第一部分的第二部分由第二材料制成。这种和类似的措施意味着耦合元件的热耦合可以适应于应用的特定条件。耦合元件在形状、相对于流动方向和相对于管道或管的定向、以及耦合元件的所利用的材料的方面相应地适应于特定的应用，以便能够确保尽可能高的热耦合。因此，可以考虑各种管或管道的不同材料和厚度、各种介质的各种物理和化学特性以及管道或管内的预期流速或流量分布的不同范围。.
在优选实施例中，耦合元件至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向加热元件供应加热信号时，耦合元件将第一可预定量的热量从加热元件传递到第一温度传感器并且将第二可预定量的热量从加热元件传递到介质。因此，耦合元件的尺寸和实施方式还取决于所利用的加热信号，并且加热信号可以适应地对应于耦合元件的实施例。在给定的情况下，管道或管位于耦合元件和介质之间。在这种情况下，从加热元件到介质的热传递经由耦合元件和管道或管的至少一部分而发生。
借助于加热元件提供的加热功率的第一部分经由耦合元件从加热元件流向第一温度传感器，并且借助于加热元件提供的加热功率的第二部分经由耦合元件从加热元件经过管道或测量管流向介质。在流速变化的情况下，第一和第二可预定量的热量发生变化。当加热元件由恒定加热功率加热时，然后借助于第一温度传感器确定的温度改变。然后，温度变化用于流量的测量。在装置由可变加热功率加热的情况下，维持第一温度传感器的预定温度所需的加热功率改变。
另一个优选实施例提供装置包括至少第一和第二温度传感器。第二温度传感器可以用于提高测量精度或甚至例如在两个温度传感器之一有缺陷的情况下提供冗余。如在第一温度传感器和加热元件的情况下，第二温度传感器也布置在由介质流过的管道或管的内容积的外部，因此，第二温度传感器也不接触过程。
在这方面，耦合元件有利地至少部分地以下述方式实施和/或布置：当加热元件被供应加热信号时，耦合元件将第三可预定量的热量从加热元件传递到第二温度传感器。这个实施例类似地发生于只有单个温度传感器的情况。
同样有利地，至少耦合元件的第一部分或第一耦合元件布置在加热元件和第一温度传感器之间，尤其是在第一温度传感器的远离介质的区域，并且其中至少第二温度传感器布置在第一温度传感器和加热元件旁边，其中至少耦合元件的第二部分或第二耦合元件布置在介质和第二温度传感器之间，并且与第一温度传感器和加热元件进行热接触。
然而，替选地，加热元件和两个温度传感器也可以沿着共享的连接线彼此相邻布置，或者加热元件和第一温度传感器可以布置在第一连接线上，并且第二温度传感器和加热元件可以布置在第二连接线上，其中第一和第二连接线路彼此之间具有可预定的角度。在这种情况下，耦合元件可以例如被实施为矩形，U形，L形或T形，其中加热元件和两个温度传感器沿着耦合元件的表面布置在不同的位置。
最后，同样有利的是装置具有至少第一和第二耦合元件，其中第一耦合元件至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向加热元件供应加热信号时，第一耦合元件将第一可预定量的热量从加热元件传递到第一温度传感器，并且其中，第二耦合元件至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向加热元件供应加热信号时，第二耦合元件将第三可预定量的热量从加热元件传递到第二温度传感器。在这种情况下，两个耦合元件同样彼此热耦合，尤其是在加热元件的区域中彼此热耦合。
本发明的目的同样通过用于操作本发明的、用于确定和/或监测通过管道或管的可流动介质的体积流量、质量流量和/或流速的装置的方法来实现。在该方法的情况下，加热元件至少有时借助于加热信号加热，并且第一温度传感器至少有时借助于第一温度信号操作。此外，关于介质的体积流量，质量流量和/或流速和/或温度的信息被确定。
一方面，第一温度传感器可以用于确定和/或监测流量。同样地，然而，补充地或替选地，提供了介质温度的确定。两个过程变量可以根据应用来确定，例如同时地、周期性交替或在基本上可预定的时间点。例如，当介质的温度在可预定的时间点确定时，可以基本上连续地确定流量。有利地，在某个时间点处，当介质的温度被确定时，不向加热元件供应加热信号，以防止通过补充地引入的加热功率损坏已确定的介质温度。
为了确定特定的过程变量、流量或温度，此外，跟踪特定过程变量的变化，或将测量值与设备中存储的特性曲线或曲线进行比较可以是选项。
此外，需要注意的加热信号可以是脉冲信号或连续信号，并且温度信号可以是脉冲信号或连续信号。
本方法的优选实施例提供至少第二温度传感器至少有时借助于第二温度信号进行操作。例如，基于借助于第一温度传感器确定的第一温度和/或基于借助于第二温度传感器确定的第二温度，获得关于介质的体积流量，质量流量和/或流速和/或温度的信息。
至少两个温度传感器的使用实现了各种实施例。例如，第一温度传感器可以提供关于流量的信息以并且二温度传感器可以提供关于温度的信息。两个温度传感器也可以应用于流量确定和/或流量监测。在这种情况下，借助于两个温度传感器确定的温度值可以相互比较。例如，借助于两个温度传感器确定的测量值之间的差异可以被形成和评估。
这里需要注意的是结合装置解释的实施例也可以在作出必要的修改后用于方法，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是本发明的具有加热元件和相邻布置在加热元件旁边的单个温度传感器的夹钳式流量计的示意图，
图2是本发明的具有加热元件和布置在加热元件与管道之间的单个温度传感器的夹钳式流量计的示意图，
图3是本发明的具有加热元件和相邻布置在加热元件旁边的第一温度传感器的流量计的各种实施例，
图4是本发明的具有加热元件和两个温度传感器的流量计的各种实施例，和
图5是用于说明本发明基础的测量原理的加热功率和流动热量的示意图。
图中相同的特征有相同的参考字符。
具体实施方式
图1示出了具有耦合元件3、加热元件4和第一温度传感器5的热流量计1，其中测量设备1被安装在管道2的壁W上，其中介质M 通过该管道2沿箭头所示的方向流过。为了将设备1安装在管道上，可以有不同的变体。在图1示出的实施例中，测量设备1被实施为可在安装在管2的外部的夹钳式测量设备。为此，可以使用本领域技术人员公知的并且落入本发明的范围内所有固定选项。在另一个实施例中(未示出)，加热元件4、第一温度传感器5和耦合元件3被集成到测量管中，其进而可以被连接到现有管道中。在这种情况下，耦合元件3、加热元件4和第一温度传感器5也可以被集成到测量管的壁中。在每一种情况下，装置1以下述方式被设计：传感器单元，即至少加热元件3和第一温度传感器4，不接触过程。这意味着加热元件和第一温度传感器(以及在给定情况下存在的其他温度传感器8)被布置在由介质M流过的管2的内容积V的外部。因此，它们至少基本上与管2 的内壁齐平地终止，或者在壁W中或放置在管2的外壁上。
加热元件4被布置为与第一温度传感器5相邻。此外，加热元件 4以及第一温度传感器5两者都布置在耦合元件3上并且借助于耦合元件3彼此进行热接触以及与介质M进行热接触。
在本发明的其他实施例中，设备还可以具有多个加热元件4，多个温度传感器5、8和/或多个耦合元件3。
连接线6将加热元件4和第一温度传感器5与用于信号记录，评估和馈送的电子单元7相连。这里需要注意的是连接线6的数量可以根据实施例而变化。此外，在每一种情况中，电子单元7适应于测量设备1的实施例。
耦合元件3使加热元件4至少部分地和/或有时与介质M进行热接触。
在正在进行的确定流量或流速的操作中，加热元件4例如可以利用可变的加热功率P被加热到可预定的温度T，或者利用恒定的加热功率P被加热到可变的温度T。因此，从根本上说，在测量设备1和介质 M之间发生热交换，或者从加热元件4到介质M的热运动或热流动。在这种情况下，加热元件4与流动介质M之间的热接触电阻根据流速 v而变化。
耦合元件3影响加热元件4和第一温度传感器5的热耦合以及与介质M的热耦合这两者。特别地，耦合元件3确保第一可预定量的热量从加热元件4流向第一温度传感器5以及第二可预定量的热量从加热元件4流向介质M。从加热元件4流出的热流可以借助于耦合元件3 进行有针对性的影响，尤其是相对于热量的传播方向以及热量向不同方向的分配。耦合元件可以被适当地实施和布置以用于确定从加热元件4分别流到第一温度传感器5和介质的热量。在以下附图中示出了可能的实施例的示例。优选地，耦合元件3由例如金属的具有高导热率的材料构成。然而，也可以使用石墨或其他材料。
一方面，第一温度传感器5可以用于确定和/或监测流量和/或流速。附加或替选地，介质M的温度T可以利用第一温度传感器确定。
在图2中示出了本发明的测量设备1的第二可能实施例。如图1 中以示例的方式示出的是夹钳式测量设备。同样在这种情况下，装置1 可使用本领域技术人员已知的所有固定装置固定到管道2上。而且，使用单独测量管(未示出)的相应实施例可以实现。
与图1相反，在图2中第一温度传感器5和加热元件4被布置为彼此堆叠。温度传感器5紧靠管道2的壁W放置。在第一温度传感器 5的远离管道2的一侧上是耦合元件3，随后是加热元件4。在另一实施例(未示出)中，此外，第二耦合元件可以布置在第一温度传感器5和管的壁W之间。在所示的实施例中，加热元件4和耦合元件5的横截面面积基本上相等。然而，在其他实施例中，加热元件4和耦合元件3的尺寸也可以不同。
在图2中未示出连接线6和电子单元7。加热元件4和第一温度传感器5的操作——例如他们各自被馈送适合的加热信号和温度信号——与图1类似地发生。
对于耦合元件3的实施例以及对于加热元件4和第一温度传感器 5相对于耦合元件3和相对于管道或管2的布置，有许多可能的变体并且落入本发明的范围内。在不意图限制本发明的范围的情况下，下面通过示例示出本发明的装置的不同可能的变体。
图3示出了具有加热元件4和第一温度传感器5的装置的各种实施例。图3a中示出了加热元件4和相邻的第一温度传感器5两者都放置在耦合元件3上，耦合元件3进而紧靠在管道或管2的壁W上。虚构的连接线a在加热元件4和第一温度传感器5之间延伸，例如，连接线a延伸通过加热元件4和第一温度传感器5的中心点或边界，平行于穿过管道或管2的纵轴，并且平行于介质M的流动方向。当然，在不同的实施例中与流动方向平行的加热元件4和第一温度传感器5 的顺序可以不同。因此，将第一温度传感器5沿流动方向布置在加热元件4之前或之后是可能的。此外，其他几何形状对于耦合元件3而言也是可能的并且同样落入本发明的范围内。例如，耦合元件3也可以被实施为椭圆形，圆形甚至三角形。
图3b的实施例与图3a的实施例的不同之处例如在于连接线a与穿过管2的纵轴的角度为45°。在图3c的变体的例子中，连接线与纵轴L之间的角度为90°。这里需要注意的是，在本发明的上下文中连接线a与纵轴线L之间的角度也可能是其它值。耦合元件3和介质2之间以及加热元件4和第一温度传感器5之间的热耦合可以由连接线和纵轴线L之间角度的选择进行有针对性地设置和适应。
然而，还有其他可能的措施用于适应热耦合。例如，耦合元件3 可以以其宽度b沿着耦合元件的长度l可变的方式实施。为此，宽度b 的连续变化提供了如图3d示出的选项，或甚至是宽度b的阶梯式变化 (未示出)。
另一种可能的用于选择和/或设置热耦合的措施是耦合元件3至少在第一部分3.1中由第一种材料制造，并且至少在与第一部分3.1不同的第二部分3.2中由第二种材料制造，如图3e中的示例所示。
举例来说另一种可能的措施是沿着纵轴L改变耦合元件的厚度d，如图3f和图3g所示。在图3f中，厚度d从值d1连续增加到值d2，而在图3g中厚度阶梯变化并且耦合元件3在第一部分的厚度为d1，在第二部分的厚度为d2。
除了所描述的措施之外，用于选择和/或设置由耦合元件3提供的热耦合的许多其他选项是可能的并且同样落入本发明的范围内。而且，各种措施可以彼此组合到期望的程度。而且，如图2所示，用于装置1 的实施例的相应措施是可能的。
图4示出了本发明的流量计1的另一个优选实施例。这里装置1 除了耦合元件3、加热元件4和第一温度传感器5之外还包括附加温度传感器8。第一可预定量的热量从加热元件4传递到第一温度传感器5，而第二可预定量的热量从加热元件4流到介质M并且第三可预定量的热量从加热元件4流到第二温度传感器8。同样地例如在前述附图的情况下，相应的装置1既可以实施为夹钳式测量装置1也可以实施为具有单独测量管的装置。同样地有很多可能性，例如图1和图2中的情况。仅需要补充第二温度传感器8，其中为此又有许多选项可得。
如在图3的情况，在图4中示出的变体在这方面可以通过示例的方式对应的被观察。本发明不限于示出的变体。图4a中示出了加热元件4以及第一温度传感器5和第二温度传感器8沿着共享的虚构连接线a彼此相邻地安装在耦合元件3上。耦合元件3进而安装在管道或管2的壁W上。与图4a相反，在图4b中，加热元件4布置在两个温度传感器5和8之间。
在图4c中示出了类似于图2的变体所实施的第一温度传感器5、耦合元件3.3和加热元件4。与图2相反，然而，加热元件4、耦合元件3.3和第一温度传感器5不是直接安装在管道或管2的壁W上，而是代替地插入附加的耦合元件3。耦合元件3和3.3可以是相同材料或不同材料。除了加热元件4、耦合元件3.3和第一温度传感器5之外，还提供了同样位于耦合元件3上的第二温度传感器8。在另一个实施例 (未示出)中，两个温度传感器5、8和加热元件4可以全部彼此布置，尤其是被布置为彼此堆叠。然后耦合元件3放置在至少两个组件之间。然而，也可以使用多个耦合元件3，例如它们在每个情况下可以分别放置在两个组件之间。
为了在两个温度传感器5、8的情况下选择和设置借助于耦合元件 3提供的热耦合，许多其他措施也是可能的。例如，可以适当地选择耦合元件3的形状和/或尺寸，或加热元件4和两个温度传感器5、8的相对布置。因此，图4d的耦合元件3在这里以正方形的形式矩形地实施，而在图4e中它是U形的，在图4f中是T形的，而在图4g中是V形的。在所有这些耦合元件的形状的实施例的情况下，加热元件4和第一温度传感器5沿着第一虚构连接线a1定位并且第二温度传感器8和加热元件4沿着第二虚构连接线a2定位，其中可以在两个连接线a1和a2之间设置适合的角度。这个布置类似于图3b和3c中示出的对于单个第一温度传感器5的布置。
相反，如图4h所示，装置1包括第一耦合元件3.4和第二耦合元件3.5。耦合元件3.4和3.5彼此相邻并且加热元件4以下述方式位于两个耦合元件3.4和3.5之间的界面：使得其与第一耦合元件3.4和第二耦合元件3.5两者都进行热接触。通过向加热元件4供应加热信号，第一可预定量的热量借助于第一耦合元件3.4传递到第一温度传感器5 并且第三可预定量的热量从加热元件4传递到第二温度传感器8。通过两个耦合元件3.4和3.5发生从加热元件4到介质M的热传递。
与图3f和图3g的情况类似，可能的措施的其他示例使耦合元件3 的厚度d沿着纵轴L变化，如图4i，4k和4l所示。与图3所示相同，厚度d可以连续或阶梯变化。
同样在具有单个第一温度传感器5的实施例的情况下，图4所示的不同变体可以彼此组合到期望的程度。此外，图3所示的变体可以类似地应用于如图4所示的具有两个温度传感器5、8的装置1的情况，反之亦然。此外，需要注意的是图4所示的选项不是唯一的。相反，可以考虑许多其他示例，它们同样落入本发明的范围内。
最后，图5示出了本发明基础的测量原理的示意图。图5a示出了诸如图2所示的本发明的装置以及热量Q1和Q2。通过向第一温度传感器5供应加热信号P，第二预定量的热量Q2从加热元件4流到介质 M，并且第一预定量的热量Q1从加热元件4流到第一温度传感器5。在这种情况下，预定量的热量Q1和Q 2的大小取决于装置1的几何实施例，管道或管2所使用的材料，以及介质M及其流速v。
图5b示出了以矩形脉冲形式的加热信号P(实线)的示意图，以及每个情况下作为时间t的函数的第二可预定量的热量Q2和介质M的两个不同的流速v1(点虚线)和v2(长虚线)。加热信号P在脉冲的持续时间内始终是恒定的。需要注意的是这里示出的加热信号P仅作为示例。在其他实施例中，加热信号P可以例如是正弦，梯形或甚至是锯齿形。介质的温度T对于两个流速v1和v2相同并且随时间恒定。 v1大于v2。预定量的热量Q1和Q2或它们在总热量Qtot＝Q1+Q2中的比例取决于介质M的流速v。例如，如果流速v从较低值v2增大到较大值v1，那么Q2增加，因为更多的热量从加热元件4传递到介质M。相应地，第二可预定量的热量Q1减少。结果，较低的温度T借助于第一温度传感器5测量，其中，借助于第一温度传感器5测量的温度的温度变化ΔT与介质M的流速v的变化成比例。
基于均作为时间t的函数的第一可预定量的热量Q1和第一流速v1 (点虚线)和第二流速v2(线虚线)的示意图，在图5c中再次示出了这种关系。例如，如果流速v从较低值v2增大到较大值v1，那么Q1减少，因此更多的热量从加热元件4传递到介质M。结果，借助于第一温度传感器5测量到较低的温度T，诸如结合图5b已经描述的。
借助于第一温度传感器5测量的温度T原则上是对于第一可预定量的热量Q1的测量。同样，介质M的温度T是恒定的，从而可以排除介质T的可变温度对借助于装置1测量的变量的影响。当然，原理所描述的关系在介质T的温度变化的情况下也成立。同样，类似的考虑对于至少提供了第二温度传感器8的情况也成立。
附图标记列表
1流量计
2管道或管
3,3.1-3.5耦合元件
4加热元件
5第一温度传感器
6连接线
7电子单元
8第二温度传感器
M介质
W管的壁
V管道或管的内容积
T介质的温度
v,v1,v2流速
a加热元件和温度传感器之间的虚构连接线
L通过管道或管的纵轴
l耦合元件的长度
b,b1-b2耦合元件的宽度
d,d1-d3耦合元件的厚度
Q,Q1,Q2,Qtot热量的量
P加热信号

Claims (20)

1.一种用于确定和/或监测通过管道或管(2)的可流动介质(M)的体积流量、质量流量和/或流速的装置(1)，包括
加热元件(4)，所述加热元件(4)至少部分地和/或有时与所述可流动介质(M)进行热接触，并且所述加热元件(4)至少有时借助于加热信号(P)可加热，和
第一温度传感器(5)，所述第一温度传感器(5)用于记录温度，并且所述第一温度传感器(5)至少有时借助于第一温度信号可操作，
其中，所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)被布置在由所述可流动介质(M)流过的所述管道或管(2)的内容积(V)的外部，
其特征在于
所述装置(1)包括至少一个耦合元件(3)，所述至少一个耦合元件(3)至少部分地与所述管道或管(2)的一部分、所述加热元件(4)和/或所述第一温度传感器(5)进行热接触，并且用于确保所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)之间以及所述加热元件(4)和包含所述可流动介质(M)的管道或管的壁之间的热耦合，
所述耦合元件(3)至少部分地由具有各向异性导热系数的材料构成，所述材料是含碳材料或六方氮化硼，并且
所述耦合元件(3)以应用于管道或管的壁的轮廓上的二维元件的形式，以层、涂层或膜的形式实施。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，
其中，所述第一温度传感器(5)用于记录所述装置(1)的至少一个组件的温度、或所述可流动介质(M)的温度。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)的所述含碳材料为石墨。
4.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)以薄膜的形式实施。
5.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述装置(1)进一步包括能够集成到现有管道中的测量管，其中，所述加热元件(4)、所述第一温度传感器(5)和所述耦合元件(3)至少被布置在所述测量管的壁上或在所述测量管的壁中，或者
其中，所述装置(1)被实施为可附接在管道或管(2)的外部。
6.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)至少部分地被布置在所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)之间。
7.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)至少部分地被布置在所述第一温度传感器(5)的远离所述可流动介质(M)的区域。
8.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)在平面中彼此相邻布置，并且其中，所述耦合元件(3)布置在所述可流动介质(M)与所述第一温度传感器(5)以及所述加热元件(4)之间。
9.根据权利要求5所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)以下述方式布置在所述管道上或在所述测量管上/中：所述第一温度传感器(5)和所述加热元件(4)之间的虚构连接线(a)相对于穿过所述管道或管的纵轴(L)具有预定角度，和/或其中，所述耦合元件(3)的宽度(d)和/或厚度(d)沿着所述耦合元件(3)的长度(l)是至少分段可变的，和/或其中，所述耦合元件(3)至少在第一部分中由第一材料(3.1)制成并且至少在不同于所述第一部分的第二部分中由第二材料(3.2)制成。
10.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向所述加热元件(4)供应所述加热信号(P)时，所述耦合元件(3)将第一可预定量的热量(Q1)从所述加热元件(4)传递到所述第一温度传感器(5)，并且将第二可预定量的热量(Q2)从所述加热元件(4)传递到所述可流动介质(M)。
11.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
包括至少所述第一温度传感器(5)和第二温度传感器(8)。
12.根据权利要求11所述的装置(1)，
其中，所述耦合元件(3)至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向所述加热元件(4)供应所述加热信号(P)时，所述耦合元件(3)将第三可预定量的热量从所述加热元件(4)传递到所述第二温度传感器(8)。
13.根据权利要求11所述的装置(1)，
其中，至少所述耦合元件(3)的第一部分或第一耦合元件被布置在所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)之间，并且其中，至少所述第二温度传感器(8)被布置在所述第一温度传感器(5)和所述加热元件(4)旁边，其中，至少所述耦合元件(3)的第二部分或第二耦合元件被布置在所述可流动介质(M)和至少所述第二温度传感器(8)之间，并且与所述第一温度传感器(5)和所述加热元件(4)进行热接触。
14.根据权利要求12所述的装置(1)，
其中，至少所述耦合元件(3)的第一部分或第一耦合元件被布置在所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)之间，并且其中，至少所述第二温度传感器(8)被布置在所述第一温度传感器(5)和所述加热元件(4)旁边，其中，至少所述耦合元件(3)的第二部分或第二耦合元件被布置在所述可流动介质(M)和至少所述第二温度传感器(8)之间，并且与所述第一温度传感器(5)和所述加热元件(4)进行热接触。
15.根据权利要求13或14所述的装置(1)，
其中，至少所述耦合元件(3)的第一部分或第一耦合元件被布置在所述第一温度传感器(5)的远离所述可流动介质(M)的区域中。
16.根据权利要求11所述的装置(1)，
其中，所述加热元件(4)和两个温度传感器(5，8)沿着共享的连接线(a)彼此相邻布置，或者其中，所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)沿着第一虚构连接线(a1)布置并且所述第二温度传感器(8)和所述加热元件(4)沿着第二虚构连接线(a2)布置，并且其中，所述第一虚构连接线(a1)和所述第二虚构连接线(a2)彼此之间具有可预定的角度。
17.根据权利要求12所述的装置(1)，
其中，所述加热元件(4)和两个温度传感器(5，8)沿着共享的连接线(a)彼此相邻布置，或者其中，所述加热元件(4)和所述第一温度传感器(5)沿着第一虚构连接线(a1)布置并且所述第二温度传感器(8)和所述加热元件(4)沿着第二虚构连接线(a2)布置，并且其中，所述第一虚构连接线(a1)和所述第二虚构连接线(a2)彼此之间具有可预定的角度。
18.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
进一步包括至少第一耦合元件(3.4)和第二耦合元件(3.5)，其中，所述第一耦合元件(3.4)至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向所述加热元件(4)供应所述加热信号(P)时，所述第一耦合元件(3.4)将第一可预定量的热量从所述加热元件(4)传递到所述第一温度传感器(5)，并且其中，所述第二耦合元件(3.5)至少部分地以下述方式实施和/或布置：当向所述加热元件(4)供应所述加热信号(P)时，所述第二耦合元件(3.5)将第三可预定量的热量从所述加热元件(4)传递到第二温度传感器(8)。
19.一种操作根据权利要求1-18中的任一项所述的装置(1)的方法，所述装置(1)用于确定和/或监测通过管道或管(2)的可流动介质(M)的体积流量、质量流量和/或流速，
其中，加热元件(4)至少有时借助于加热信号(P)加热，
其中，第一温度传感器(5)至少有时借助于第一温度信号操作，和
其中，关于所述可流动介质(M)的体积流量、质量流量和/或流速和/或温度(T)的信息被确定。
20.根据权利要求19所述的方法，
其中，第二温度传感器(8)至少有时借助于第二温度信号操作。
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