DE102005015692A1

DE102005015692A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Massedurchflusses eines Messmediums

Info

Publication number: DE102005015692A1
Application number: DE102005015692A
Authority: DE
Inventors: Dieter Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-02-23
Also published as: EP1787092A1; WO2006021467A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (3) durch eine Rohrleitung (2) bzw. durch ein Messrohr mit einem ersten Temperatursensor (11) und einem zweiten Temperatursensor (12), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet und in dem dem Messmedium (2) zugewandten Bereich eines Gehäuses (5) derart angeordnet sind, dass sie in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr strömenden Messmedium (3) sind. Während der erste Temperatursensor (11) Information über die aktuelle Temperatur des Messmediums (3) bereitstellt, ist der zweite Temperatursensor (12) beheizbar. Eine Regel-/Auswerteeinheit (10) führt dem zweiten Temperatursensor (12) eine definierte Heizleistung zu und ermittelt anhand der Temperaturdifferenz und/oder anhand der dem zweiten Temperatursensor (12) zugeführten Heizleistung den Durchfluss des Messmediums (3) durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische bzw. kalorimetrische Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines durch eine Rohrleitung oder durch ein Messrohr strömenden Messmediums. Bei dem Messmedium handelt es sich um ein fließfähiges Medium, insbesondere um ein flüssiges, ein dampfförmiges oder ein gasförmiges Medium.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden meist zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren. Für industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut, in dem der Durchfluss eines Messmediums gemessen wird. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. passiver Temperatursensor; er erfasst die aktuelle Temperatur des Messmediums. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen sog. aktiven Temperatursensor, der über eine Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z.B. um einen RTD (Resistance Temperature Detector) Temperatursensor, der selbst durch Umsetzung einer elektrischen Leistung (z.B. durch erhöhten Messstrom) erwärmt wird. Entsprechende Temperatursensoren werden beispielsweise von der Firma Honeywell angeboten und vertrieben.
Die beiden Temperatursensoren sind stiftförmig bzw. gerade und parallel zueinander angeordnet. Dabei verändern sich das Messsignal und folglich auch der in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr gemessene Durchfluss des Messmediums in Abhängigkeit von dem Winkel, den die beiden Temperatursensoren bezüglich der Strömungsrichtung des Messmediums einnehmen.
Gemäß einer bekannten Ausgestaltung wird der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt gewor den, über eine Regel-/Steuereinheit eine zeitkonstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so erfolgt die Ableitung der Wärme von dem beheizten Temperatursensor über Wärmeleitung, Wärmestrahlung und ggf. auch freie Konvektion innerhalb des Messmediums. Ist das zu messende Medium in Bewegung, kommt eine zusätzliche Abkühlung des beheizten Temperatursensors durch das vorbeiströmende kältere Medium hinzu. Durch das vorbeiströmende Messmedium tritt hier zusätzlich ein Wärmetransport infolge einer erzwungenen Konvektion auf. Um unter diesen Umständen die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist folglich eine höhere Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Im Falle der Einspeisung einer zeitkonstanten Heizleistung verringert sich infolge des Durchflusses des Messmediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren.
Es besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Durchfluss, insbesondere dem Massedurchfluss eines vorgegebenen Messmediums durch eine Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Parameter sind – wie bereits angedeutet – die thermophysikalischen Eigenschaften des Messmediums selbst und der im Messmedium herrschende Druck. Sind die entsprechenden vom Durchfluss abhängigen Kennlinien für diese Parameter erstellt bzw. sind die entsprechenden Parameter in den Funktionsgleichungen bekannt, lässt sich der Massedurchfluss des Messmediums exakt bestimmen. Thermische Messgeräte, die auf dem zuvor beschriebenen Prinzip beruhen, werden von Endress+Hauser unter der Bezeichnung 't-mass' angeboten und vertrieben.
Die Einbauposition des Durchflussmessgeräts in die Rohrleitung ist dabei stets so zu wählen, dass gewährleistet ist, dass das Messmedium mit den Temperatursensoren in stetigem thermischem Kontakt ist. Mögliche Einbaupositonen sind die seitliche Einbaupositon bei vertikal angeordneten Rohrleitungen, oder die Temperatursensoren befinden sich bei einer waagerecht angeordneten Rohrleitung im oberen, im unteren Bereich oder im seitlichen Bereich der Rohrleitung. Im letzten Fall ist die Positionierung im seitlichen Bereich der Rohrleitung insofern günstig, da bei dieser Art der Montage weder Ablagerungen nach Luftpolster die Funktion des Messgeräts negativ beeinflussen können. Je nach Einbauposition tritt nun aber bei den bekannten parallel angeordneten, stiftförmigen Temperatursensoren das Problem auf, dass die Messwerte in Abhängigkeit von der Einbauposition variieren: So können die beiden stiftförmigen Temperatursensoren einmal hintereinander und ein anderes Mal nebeneinander relativ zur Strömungsrichtung des Messmediums angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kalorimetrisches Durchflussmessgerät vorzuschlagen, dessen Messwerte-Bereitstellung im wesentlichen unabhängig ist von der Einbauposition in dem Messrohr bzw. in der Rohrleitung.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den folgenden Komponenten gelöst:
Einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor, wobei die beiden Temperatursensoren im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet und in dem dem Messmedium zugewandten Bereich eines Gehäuses derart angeordnet sind, dass sie in direktem oder indirektem thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr strömende Medium sind. Der erste Temperatursensor stellt Information über die aktuelle Temperatur des Messmediums bereit; zumindest bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen beheizbaren Temperatursensor, dem eine Heizeinheit zugeordnet ist. Weiterhin ist eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen, die die Heizeinheit derart ansteuert, dass die Heizeinheit dem zweiten Temperatur-sensor eine definierte Heizleistung zuführt. Weiterhin ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit anhand der Temperaturdifferenz und/oder anhand der dem zweiten Temperatursensor zugeführten Heizleistung den Durchfluss des Messmediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
Durch die im wesentlichen rotationssymmetrische Anordnung und Ausgestaltung der beiden Temperatursensoren wird eine weitgehende Richtungsunabhängigkeit bei der Durchflussmessung erreicht. Dadurch ist es auch möglich, die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse im Vergleich zu den herkömmlichen Messgeräten zu erhöhen.
Bevorzugt haben der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor die Form eines offenen Rings. Weiterhin sind die beiden Temperatursensoren im wesentlichen konzentrisch angeordnet.
Alternativ wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeregt, dass die beiden Temperatursensoren zumindest in den angrenzenden Bereichen der beiden Ringe eine zackenförmige, verzahnte Struktur aufweisen. Hierdurch lässt dich die Fläche der Temperatursensoren, die mit dem Messmedium in thermischem Kontakt ist, optimal vergrößern.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Temperatursensoren in Dünnfilmtechnik auf eine dielektrische scheibenförmige Struktur aufgebracht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die beiden Temperatursensoren in parallel zueinander verlaufenden Ebenen angeordnet sind. Zwischen den beiden Temperatursensoren ist eine Isolationsschicht angeordnet.
Als besonders vorteilhaft wird es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angesehen, wenn es sich bei dem ersten Temperatursensor und bei dem zweiten Temperatursensor um RTDs – also um Resistance Temperature Detector – Sensoren handelt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung steuert die Regel-/Auswerteeinheit die Heizeinheit bzw. den beheizbaren Temperatursensor so an, dass die Heizeinheit den zweiten Temperatursensor mit einer konstanten Heizleistung beaufschlagt; anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit den Durchfluss des Messmediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Regel-/Auswerteinheit die Heizeinheit so ansteuert, dass zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor eine näherungsweise konstante Temperaturdifferenz herrscht; anschließend bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit anhand der dem zweiten Temperatursensor zugeführten Heizleistung den Durchfluss des Messmedium in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Regel-/Auswerteeinheit entweder den Durchfluss kontinuierlich misst, und/oder aber sie erkennt, ob der Durchfluss zumindest einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet. Im zuletzt genannten Fall wird die erfindungsgemäße Vorrichtung also als Durchflussschalter genutzt.
Darüber hinaus schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass sie den Durchfluss kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, in welcher zeitlichen Abfolge bzw. innerhalb welcher Zeitspanne der Durchfluss zumindest zwei vorgegebene Grenzwerte unter- oder überschreitet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass sie die Ansteuerung bzw. Auswertung der beiden Temperatursensoren umschalten kann, womit jeder Temperatursensor jeweils entweder beheizbarer Temperatursensor oder Temperatursensor für die aktuelle Temperatur des Messmediums sein kann. In diesem Zusammenhang lässt sich beispielsweise über eine Mittelung der Werte der Temperatursensoren die Messgenauigkeit erhöhen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung der Temperatursensoren,
3: eine Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung der Temperatursensoren,
4: eine Draufsicht auf eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung der Temperatursensoren und
5: einen Querschnitt durch eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1. Das Durchflussmessgerät 1 ist über ein Schraubgewinde 9 in einem Stutzen 4, der sich an der Rohrleitung 2 befindet, befestigt. In der Rohrleitung 2 bzw. in dem Messrohr befindet sich das strömende Messmedium 3. Die Strömungsrichtung ist mit S gekennzeichnet.
Die Temperaturmesseinrichtung 6 befindet im dem Messmedium 3 zugewandten Bereich des Gehäuses 5. Unterschiedliche Ausgestaltungen der im wesentlichen rotationssymmetrischen und auf konzentrischen Kreisen liegenden Temperatursensoren 11, 12 sind in den Figuren 2–4 dargestellt.
Die Temperatursensoren 11, 12 sind in den gezeigten Fällen auf einer dielektrischen Trägerstruktur 13 angeordnet, die sich an der Stirnfläche des Gehäuses 5 befindet. Während die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ringstrukturen eine in den angrenzenden Bereichen der beiden Temperatursensoren 11, 12 glatt ausgestaltet sind, weisen die beiden in 4 gezeigten ringförmigen Temperatursensoren 11, 12 eine verzahnte Form auf.
Die Ansteuerung der Temperatursensoren 11, 12 und/oder die Auswertung der von den Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messsignale erfolgt über die Regel-/Auswerteeinheit 10, die im gezeigten Fall im Umformer 7 angeordnet ist. Über die Verbindung 8 erfolgt die Kommunikation mit einer entfernten, in der 1 nicht gesondert dargestellten Kontrollstelle.
Wie bereits zuvor erwähnt, kann es sich bei den beiden Temperatursensoren 11, 12 um elektrisch beheizbare Widerstandselemente, sog. RTD-Sensoren, handeln. Selbstverständlich kann auch in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung auch ein üblicher Temperatursensor, z.B. ein Pt100 oder Pt1000 eingesetzt werden, dem eine thermisch angekoppelte Heizeinheit 14 zugeordnet ist. Die Heizeinheit 14 ist in der 1 im Gehäuse 5 angeordnet. Die Heizeinheit 14 ist thermisch an den beheizbaren Temperatursensor 11, 12 gekoppelt, aber von dem Messmedium weitgehend entkoppelt. Die Ankopplung bzw. die Entkopplung erfolgt bevorzugt über die Auffüllung der entsprechenden Zwischenräume mit einem thermisch gut leitenden bzw. einem thermisch schlecht leitenden Material. Bevorzugt kommt hierzu ein Vergussmaterial zum Einsatz.
Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, ist es mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät 1 möglich, den Durchfluss entweder kontinuierlich zu messen; alternativ ist es möglich, das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät 1 als Durchflussschalter zu verwenden, der immer dann die Änderung eines Schaltzustandes anzeigt, wenn zumindest ein vorgegebener Grenzwert unter- oder überschritten wird.
Vorteilhafter Weise ist darüber hinaus vorgesehen, dass beide Temperatursensoren 11, 12 beheizbar ausgestaltet sind, wobei die gewünschte Funktion des ersten Temperatursensors 11 oder des zweiten Temperatursensors 12 von der Regel/Auswerteeinheit 10 bestimmt ist. Beispielsweise ist es möglich, dass die Regel-/Auswerteeinheit 10 die beiden Temperatursensoren 11, 12 alternierend als aktiven oder passiven Temperatursensor 11, 12 ansteuert und den Durchflussmesswert über eine Mittelung der von beiden Temperatursensoren 11, 12 gelieferten Messwerte bestimmt.
In 4 ist ein Querschnitt einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In diesem Fall sind die beiden im wesentlichen rotationssymmetrisch angeordneten Temperatursensoren 11, 12 in im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Ebenen zu finden. Im gezeigten Fall sind die beiden Temperatursensoren 11, 12 z.B. in Dünnfilmtechnik auf eine isolierende Trägerstruktur 13 aufgebracht.

1: erfindungsgemäße Vorrichtung
2: Rohrleitung/Messrohr
3: Messmedium
4: Stutzen
5: Gehäuse
6: Temperaturmesseinrichtung
7: Umformer
8: Verbindungsleitung
9: Gewinde
10: Regel-/Auswerteeinheit
11: Erster Temperatursensor
12: Zweiter Temperatursensor
13: Trägerstruktur
14: Heizeinheit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums (3) durch eine Rohrleitung (2) bzw. durch ein Messrohr mit einem ersten Temperatursensor (11) und einem zweiten Temperatursensor (12), wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet und in dem dem Messmedium (2) zugewandten Bereich eines Gehäuses (5) derart angeordnet sind, dass sie in thermischem Kontakt mit dem durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr strömende Messmedium (3) sind, wobei der erste Temperatursensor (11) Information über die aktuelle Temperatur des Messmediums (3) bereitstellt, wobei eine Heizeinheit (14) vorgesehen ist, die dem zweiten Temperatursensor (12) zugeordnet ist oder dass es sich bei dem zweiten Temperatursensor (12) um ein Widerstandselement handelt, wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (10) vorgesehen ist, die die Heizeinheit (14) oder den Temperatursensor (12) derart ansteuert, dass dem zweiten Temperatursensor (12) eine definierte Heizleistung zuführt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz und/oder anhand der dem zweiten Temperatursensor (12) zugeführten Heizleistung den Durchfluss des Messmediums (3) durch die Rohrleitung (2) bzw. durch das Messrohr ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Temperatursensor (11) und der zweite Temperatursensor (12) die Form eines offenen Rings haben und wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) konzentrisch angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) zumindest in den angrenzende Bereichen der Ringe eine zackenförmige, verzahnte Struktur aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in Dünnfilmtechnik auf eine dielektrische scheibenförmige Trägerstruktur (13) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei es sich bei dem ersten Temperatursensor (11) und bei dem zweiten Temperatursensor (12) um RTDs – also um Resistance Temperature Detector – Sensoren handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) in wesentlichen in parallel zueinander verlaufenden Ebenen angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) die Heizeinheit (14) bzw. den zweiten Temperatursensor (12) so ansteuert, dass der zweite Temperatursensor (12) mit einer konstanten Heizleistung beaufschlagt, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor (11) und dem zweiten Temperatursensor (12) den Durchfluss des Messmediums (3) in der Rohrleitung (2) bzw. in dem Messrohr bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regel-/Auswerteinheit (10) die Heizeinheit (14) so ansteuert, dass zwischen dem ersten Temperatursensor (11) und dem zweiten Temperatursensor (12) eine näherungsweise konstante Temperaturdifferenz herrscht, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) anhand der dem zweiten Temperatursensor (12) zugeführten Heizleistung den Durchfluss des Messmediums (3) in der Rohrleitung (2) bzw. in dem Messrohr bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 oder 8, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) so ausgestaltet ist, dass sie den Durchfluss kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, ob der Durchfluss min. einen vorgegebenen Grenzwert unter- oder überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 oder 8, wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) so ausgestaltet ist, dass sie den Durchfluss kontinuierlich misst, und/oder dass sie erkennt, in welcher zeitlichen Abfolge bzw. innerhalb welcher Zeitspanne der Durchfluss zumindest zwei vorgegebene Grenzwerte unter- oder überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, wobei die beiden Temperatursensoren (11, 12) so ausgestaltet sind, dass sie beheizbar sind, und wobei die Regel-/Auswerteeinheit (10) die beiden Temperatusensoren (11; 12) so ansteuert, dass ein Temperatursensor (11; 12) die Temperatur des Messmediums (3) liefert und dass der zweite Temperatursensor (12; 11) aufgeheizt wird.