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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen
ein System und ein Verfahren zur Fluidströmungsmessung,
und in einem Beispiel eine thermische Durchflussmessung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
genaue Messung von durch eine Rohrleitung strömenden Fluid
ist für viele Industrien wichtig. Die Halbleiter-, Wasser-
und Verarbeitungsindustrien, Luftfahrt, sowie Öl- und Gasindustrien
sind oft auf genaue Durchflussmessungen angewiesen. In diesen und
anderen Industrien oder Systemen, wie z. B. Abtastsystemen ist der
Fluiddurchfluss typischerweise niedrig. Dieses kann die Schwierigkeit
einer Erzielung genauer Messergebnisse erhöhen.
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Geringe
Kosten und kompakte Form sind für Durchflussmessvorrichtungen
erwünscht, aber herkömmliche Vorrichtungen können
diese Merkmale oft nicht bereitstellen.
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Einige
herkömmliche Systeme für die Bestimmung verschiedener
Eigenschaften von in einer Rohrleitung strömenden Fluid
verwenden Temperatursensoren. Ein derartiges System nutzt nur einen
Temperatursensor (siehe beispielsweise
U.S. Patent Nr. 6 639 506 ). Ein weiteres
System verwendet zwei Temperatursensoren mit einem dazwischen platzierten
Heizelement. Siehe z. B.
U.S.
Patent Nr. 4 373 386 . In einer Beispielauslegung werden
Temperaturmessungen bei verschiedenen Durchflüssen vorgenommen,
um eine Kalibrierungskurve der Strömung über der
Tempera tur zu erzeugen. Für eine gegebene gemessene Temperatur
kann der Durchfluss extrapoliert werden.
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Derartige
Systeme verwenden Ist-Temperaturmessungen und/oder den Wärmeverlust
von Sonden aufgrund von Strömung, oder Temperaturmessungen
per se, um die Strömungseigenschaften zu bestimmen und
werden typischerweise bei Standardumgebungsbedingungen kalibriert.
Sobald sich die Einsatzbedingungen ändern, leidet jedoch
die Genauigkeit derartiger Systeme. Zusätzlich nutzen derartige
Systeme ausschließlich Gleichstrom bzw. DC-Signale, was
oft zu einer zeitlichen Drift führt, welche beispielsweise
durch die Kontamination des Thermistors oder einer anderen Sonde
verursacht wird, die zum Messen der Temperatur verwendet wird, und
somit die Systemgenauigkeit verringert. Außerdem führen
derartige Systeme gemittelte, nicht-momentane Temperaturmessungen
durch.
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Weitere
bekannte Systeme sind entweder für bestimmte Anwendungen
nicht kompakt genug, oder für alle Kunden aufgrund ihrer
bekannten Unzuverlässigkeit weniger als zufriedenstellend.
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Der
Einsatz herkömmlicher Ultraschall- oder Coriolis-Techniken
stellt eine Verbesserung für größere Rohrleitungen,
jedoch zu erhöhten Kosten und Abmessungen bereit, welche
sich oft als zu unhandlich für eine Anzahl von Anwendungen
erweisen.
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Als
Folge dieser Nachteile können derartige Systeme zu groß,
zu unzuverlässig sein und/oder eine häufige Kalibrierung
erfordern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
dieser Erfindung schaffen ein kosteneffektiveres, kompakteres und
genaueres System und Verfahren für die Bestimmung des Durchflusses
eines Fluids. In den verschiedenen Ausführungsformen dieser
Erfindung beinhaltet das Strömungsmesssystem und Verfahren
wenigstens zwei Sensoren für die Detektion einer Temperaturschwankung
eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids. Unter Nutzung
von Signalen aus den Sensoren können Parameter, wie z.
B. Durchfluss oder Geschwindigkeit, unabhängig von Ist-Temperaturmessungen
bestimmt, Genauigkeit und Zuverlässigkeit verbessert werden
und eine häufige Kalibrierung ist nicht erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung muss jedoch in weiteren Ausführungsformen
nicht all diese Aufgaben erfüllen, und ihre Ansprüche
sollten nicht auf Strukturen oder Verfahren beschränkt
sein, die in der Lage sind, diese Aufgaben zu lösen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein thermisches Strömungsmesssystem
mit wenigstens ersten und zweiten Sensoren zur Detektion eines Wärmeverlustes
aufgrund eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids. Die
ersten und zweiten Sensoren sind in einem vorbestimmten Abstand
voneinander angeordnet. Ein Elektronik-Subsystem reagiert auf die
wenigstens ersten und zweiten Sensoren und ist dafür ausgelegt,
Eingangssignale aus den ersten und zweiten Sensoren mit Gleichstrom-
und Wechselstromkomponenten aufzunehmen und Wechselstromsignale
für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids auszugeben. In einer Ausführungsform ist das
Elektronik-Subsystem ferner dafür ausgelegt, digitalisierte
Wechselstromsignale auszugeben, und das Elektronik-Subsystem kann
wenigstens einen Analog/Digital-Wandler für die Digitalisierung der
Wechselstromsignale enthalten. In einer Variante ist wenigstens
ein digitalisiertes Signal eine digitalisierte Wechselstromkomponente
des Eingangssignals aus dem ersten Sensor und wenigstens eine digitalisierte Wechselstromkomponente
des Eingangssignals aus dem zweiten Sensor.
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Das
System enthält typischerweise ferner ein Verarbeitungs-Subsystem,
das mit dem Elektronik-Subsystem signalmäßig verbunden
und dafür ausgelegt ist, die Wechselstromsignale zu analysieren.
In einem Beispiel ist das Verarbeitungs-Subsystem dafür
ausgelegt, eine Zeitverzögerung zwischen den Wechselstromsignalen
zu detektieren, und kann zusätzlich dafür ausgelegt
sein, die Zeitverzögerung zwischen den Wechselstromsignalen
durch Kreuzkorrelation zu detektieren. Das Verarbeitungs-Subsystem
ist typischerweise dafür ausgelegt, die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in der Rohrleitung unter Verwendung von Information zu berechnen,
die in den Wechselstromsignalen und dem Abstand zwischen den ersten
und zweiten Sensoren enthalten ist. In einer Ausführungsform
ist das Verarbeitungs-Subsystem dafür ausgelegt, die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in der Rohrleitung unter Nutzung von Information zu berechnen,
die in digitalisierten Wechselstromsignalen und in dem Abstand zwischen
den ersten und zweiten Sensoren enthalten ist.
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Die
Sensoren können Thermistoren sein, und in einer Variante
können die Sensoren in einer mikroelektromechanischen Vorrichtung
enthalten sein. Der Abstand zwischen den ersten und zweiten Sensoren
kann angenähert 2 mm bis zu angenähert einem Viertel
des Innendurchmessers der Rohrleitung und alle Abstände dazwischen
sein. Wenigstens einer von den ersten und zweiten Sensoren kann
sich auf der Außenseite der Rohrleitung befinden, oder
wenigstens ein Teil von einem der ersten und zweiten Sensoren kann
sich in der Fluidströmung befinden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein thermisches Strömungsmesssystem
mit wenigstens ersten und zweiten Sensoren zum Detektieren der Temperatur
eines in einer Rohrleitung strömenden Fluids, wobei die
ersten und zweiten Sensoren in einem vorbestimmten Abstand voneinander
angeordnet sind. Ein Elektronik-Subsystem reagiert auf die ersten
und zweiten Sensoren und ist dafür ausgelegt, Eingangssignale
aus den ersten und zweiten Sensoren aufzunehmen, die Gleichstrom-
und Wechselstromkomponenten enthalten, und digitalisierte Wechselstromsignale
für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids auszugeben.
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Die
vorliegende Erfindung liefert auch ein thermisches Strömungsmessverfahren,
das die Detektion eines Wärmeverlustes in wenigstens zwei
Sensoren an voneinander beabstandeten Stellen aufgrund eines in einer
Rohrleitung strömenden Fluids, die Aufnahme von den Wärmeverlust
anzeigenden Signalen mit Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten,
die Trennung der Gleichstromkomponenten von den Wechselstromkomponenten
der Signale und die Ausgabe von Wechselstromsignalen zur Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Rohrleitung
beinhaltet. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren
ferner die Digitalisierung der Wechselstromkomponenten. In einem
Aspekt beinhaltet das Verfahren die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in der Rohrleitung, in einem Beispiel durch Detektion
der Zeitverzögerung zwischen den Wechselstromsignalen.
Die Detektion der Zeitverzögerung zwischen den Wechselstromsignalen
kann eine Kreuzkorrelation der Wechselstromsignale beinhalten. In
einer Ausführungsform beinhaltet die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in der Rohrleitung die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit
unter Verwendung des Zwischenabstandes zwischen den zwei beabstandeten
Stellen, und von Information, die in den Wechselstromsignalen enthalten
ist. Die wenigstens zwei in Abstand angeordneten Stellen können
sich auf der Außenseite der Rohrleitung befinden, oder
die wenigstens zwei in Abstand angeordneten Stellen können
sich in der Fluidströmung befinden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Strömungsmessverfahren,
das eine Detektion der Temperatur eines in einer Rohrleitung strömenden
Fluids an wenigstens zwei in Abstand angeordneten Stellen, den Empfang
von die detektierten Temperaturen anzeigenden Signalen mit Gleichstrom-
und Wechselstromkomponenten, eine Trennung der Gleichstromkomponenten
von den Wechselstromkomponenten der Signale und eine Ausgabe digitalisierter
Wechselstromsignale zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in der Rohrleitung beinhaltet.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN
ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden für den Fachmann
auf diesem Gebiet aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen
und der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer thermischen Strömungsmessung gemäß der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Teilquerschnittsansicht von Temperatursensoren ist,
die in einer Rohrleitung strömendes Fluid gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind;
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3 eine
schematische Teilquerschnittsansicht von Temperatursensoren auf
der Außenseite einer Rohrleitung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein
schematisches Blockschaltbild ist, das die Hauptkomponenten einer
Ausführungsform eines Elektronik-Subsystems gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ein
Beispiel einer graphischen Auftragung von Amplitude und Zeit ist,
die Wechselstrom- bzw. AC-Signalwellenformen gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 eine
graphische Auftragung ist, die Testergebnisse eines thermischen
Strömungsmesssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung unter simulierten Strömungsbedingungen darstellt;
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7 eine
graphische Auftragung ist, welche Wiederholbarkeits-Testergebnisse
für ein thermisches Strömungsmesssystem gemäß der
vorliegenden Erfindung unter simulierten Strömungsbedingungen
darstellt;
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8 eine
schematische Blockdarstellung ist, welche die Hauptverfahrensschritte
einer Ausführungsform eines Strömungsmessverfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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9 eine
schematische Blockdarstellung ist, welche die Hauptverfahrensschritte
einer weiteren Ausführungsform eines Strömungsmessverfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Neben
der nachstehend diskutierten Ausführungsform oder den Ausführungsformen
ist sind weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich
und die Erfindung kann in verschiedenen Arten in die Praxis umgesetzt
oder ausgeführt werden. Somit dürfte es sich verstehen,
dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details der
Konstruktion und Anordnung von Komponenten beschränkt ist,
die in der nachstehenden Beschreibung geschildert oder in den Zeichnungen
dargestellt werden. Wenn nur eine Ausführungsform hierin beschrieben
wird, sollen die Ansprüche hierin nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt sein. Ferner sind die Ansprüche davon
nicht in einschränkendem Sinne zu lesen, außer
dass ein deutlicher und überzeugender Beweis vorliegt,
der einen bestimmten Ausschluss, Einschränkung oder Verzicht
manifestiert.
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In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält
das in 1 schematisch dargestellte thermische Strömungsmesssystem 10 wenigstens
einen Sensor oder eine Sonde 12 und einen in einem Abstand
d davon angeordneten Sensor oder eine Sonde 14, jeden für
die Detektion eines Wärmeverlustes aufgrund des in der
Rohrleitung oder dem Rohr 18 strömenden Fluids 16 und/oder
der Temperatur des Fluids 16. Im Falle der Detektion eines
Wärmeverlustes ist der Wärmeverlust in jedem der
Sensoren der durch die Fluidströmung bedingte Wärmeverlust.
Da Punktemperatur- oder Wärmeverlustmessungen durch die
Sensoren 12 und 14 ausgeführt werden,
kann der Abstand zwischen den Sensoren klein sein. In einer nicht-einschränkenden
Ausführungsform ist der Abstand d in dem Bereich von 2
mm bis zu einem Viertel des Innendurchmessers des Rohres oder der
Rohrleitung einschließlich aller Unterbereiche dazwischen.
Somit können die Sensoren 12 und 14 beispielsweise
in einer mikroelektromechanischen (MEMS)-Vorrichtung enthalten sein,
wenn dieses für eine spezielle Anwendung gewünscht
ist. Demzufolge ist das thermische Strömungsmesssystem 10 von 1 für
die Verwendung mit kleinen Rohren oder Rohrleitungen geeignet, obwohl
es nicht diesbezüglich beschränkt ist. Aufgrund
des Abstandes zwischen den Sensoren, welcher sehr klein sein kann,
ist es vorteilhaft, wenn die Sensoren 12 und 14 eine
schnelle Reaktion, wie etwa 5 Hz oder größer in
einem Beispiel besitzen. Daher sind in einer Variante die Sensoren 12 und 14 Thermistoren,
und in einer weiteren Variante kann eine Wheatstone-Brücke
in einem Elektronik-Subsystem 20 enthalten sein, um den
durch die Strömung bedingten Wärmeverlust durch
Aufrechterhalten konstanter Thermistorströme oder einer
konstanten Thermistortemperatur zu erfassen. Weitere Arten von Temperatursensoren,
wie z. B. Hitzdrähte, können ebenfalls verwendet
werden.
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In
einer Auslegung befindet sich wenigstens ein Teil des Sensors 12 und/oder
Sensors 14, 2, in der Fluidströmung 16,
beispielsweise durch Einführung in bereits bestehende Löcher
oder Düsen in der Rohrleitung 18, oder durch so
genanntes Hot Tapping (Abzweigherstellung an unter Druck stehenden
Leitungen) oder Anbohren der Rohrleitung 18. In dem letzteren
Beispiel kann der Sensor 12 und/oder 14 Teil einer
Anordnung sein, welche in die Rohrleitung eingeführt wird.
In einer weiteren Auslegung befindet sich wenigstens einer von den
Sensoren 12 und 14, 3, auf einer
Außenseite der Rohrleitung oder des Rohres 18 und
nicht in der Fluidströmung 16. Derartige Aufklemmsensoren,
oder Sensoren, welche beispielsweise durch eine Klemmeinrichtung
in ihrer Lage gehalten werden, sind für Rohre geeignet,
die aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
bestehen.
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Typischerweise
befinden sich die Sensoren oder Sonden 12 und 14 in
der axialen Richtung voneinander gemäß Darstellung
in 1 in Abstand, wobei dieses aber keine notwendige
Einschränkung ist. Die Sensoren können zeitlich
nebeneinander oder in verschiedenen Winkeln oder verschiedenen Ausrichtungen
angeordnet sein, um unterschiedliche Fluiddurchflüsse oder
Geschwindigkeitskomponenten der Fluidströmung 16 zu
Bestimmen. Ferner ist die vorliegende Erfindung nicht auf zwei Sensoren
oder Sonden beschränkt, und es kann beispielsweise eine
Mat rixanordnung von Sensoren verwendet werden, um ein Fluidströmungsgeschwindigkeitsprofil
zu erzeugen. Die Bestimmung des Fluiddurchflusses oder der Geschwindigkeit
wird nachstehend diskutiert.
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Das
thermische Strömungsmesssystem 10 enthält
ferner ein Elektronik-Subsystem 20 und Verarbeitungs-Subsystem 22,
welche typischerweise als Teil einer einzigen Vorrichtung 24 ausgelegt
sind, obwohl dies keine notwendige Einschränkung der Erfindung
ist. Das Elektronik-Subsystem 20 reagiert auf die ersten
und zweiten Sensoren 12 und 14.
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In
herkömmlichen Systemen wird typischerweise eine gemittelte
Temperatur und gemittelte Fluidströmungsgeschwindigkeit
des in der Rohrleitung strömenden Fluids unter Verwendung
der DC-Komponente der Sensorsignale bestimmt. In derartigen Systemen
tritt eine Drift auf, welche der DC-Komponente der Signale zugeordnet
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Elektronik-Subsystem 20, 4, dafür
ausgelegt, Eingangssignale 30 bzw. 32 aus den
Sensoren 12 und 14, aufzunehmen, welche typischerweise
Gleichstrom-(DC)- und Wechselstrom-(AC)-Komponenten enthalten, und
AC-Signale 30a, 32a für die Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit oder des Durchflusses im Fluid 16,
das in der Rohrleitung 18 strömt, auszugeben.
Das AC-Signal 30a ist die Wechselstromkomponente des Eingangssignals 30 aus
dem Sensor 12, und das AC-Signal 32a ist die Wechselstromkomponente
des Eingangssignals 32 aus dem Sensor 14.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung subtrahiert oder trennt das Elektronik-Subsystem 20 die
DC-Komponente der Eingangssignale 30 und 32 in
einem Beispiel unter Verwendung der Verstärker 40 bzw. 42 ab,
obwohl andere Möglichkeiten zur Trennung der AC- und DC-Signalkomponenten
verwendet werden können. Das Elektronik-Subsystem 20 gibt
dann die AC-Signale 30a, 32a zur Bestimmung des
Fluiddurchflusses aus. Durch Subtrahieren oder Abtrennen der DC-Komponente
und Verwenden der AC-Komponente der Eingangssignale aus den Sensoren
kann die Drift in den Temperatursensoren, z. B. den Sensoren 12 und 14 erheblich
reduziert oder eliminiert werden. Ferner kann im Gegensatz zu herkömmlichen
Systemen eine momentane Temperatur auf der Basis von Fluidturbulenz
unter Verwendung der AC-Komponente der Eingangssignale aus den Temperatursensoren
bestimmt werden.
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In
einer Variante können die AC-Signale ferner durch Verstärker 44 und 46 und/oder
Bandpassfilter 48 und 50 verarbeitet werden, und/oder
können einer weiteren Verarbeitung unterzogen werden, um
Signale bei Frequenzen nach Wunsch für die Analyse durch
das Verarbeitungs-Subsystem 22 bereitzustellen, obwohl
dieses keine notwendige Einschränkungen für die
vorliegende Erfindung sind.
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Wenn
das Signal/Rausch-Verhältnis der Signale 30 und 32 ausreichend
hoch ist, können die AC-Signale 30a und 32a zur
Bestimmung der Fluidströmungsgeschwindigkeit und/oder anderer
Parameter verwendet werden.
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In
einer Ausführungsform enthält das Elektronik-Subsystem 20 ferner
einen Analog/Digital-Wandler 60 zur Digitalisierung des
AC-Signals 30a und einen Analog/Digital-Wandler 62 zur
Digitalisierung des AC-Signals 32a. In dieser Ausführungsform
werden die Ausgangssignale 30aa und 32aa aus dem
Elektronik-Subsystem 20 zu digitalisierten AC-Signalen,
die an das Verarbeitungs-Subsystem 22 zur Analyse geliefert
werden, und diese digitalisierten AC-Signale sind insbesondere geeignet,
wenn die Eingangssignale aus den Sensoren ein niedriges Signal/ Rausch-Verhältnis
haben. Obwohl zwei Analog/Digital-Wandler in 4 dargestellt
sind, ist dieses keine notwendige Einschränkung, und die
Anzahl der Analog/Digital-Wandler kann beispielsweise abhängig
von der Anzahl der Sensoren variieren.
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5 stellt
Beispiele von AC-Signalen aus zwei Temperatursensoren wie z. B.
den Sensoren 12 und 14, 1, nach
dem Passieren des Elektronik-Subsystems 20 dar. Die AC-Signale
können einen durch Fluidströmung bedingten Wärmeverlust
in den Sensoren oder Temperaturmesswerte aus den Sensoren repräsentieren.
Signale (AC-Wellenformen) 80 (zum Zeitpunkt t1)
und 82 (zu einem späteren Zeitpunkt t2)
sind in diesem Beispiel, das einem durch die Fluidströmung
bewirkten Wärmeverlust der zwei Sensoren entspricht, ähnlich. Man
kann jedoch sehen, dass das Maximum 84 des Signals 80,
das beispielsweise von dem stromaufwärts liegenden Temperatursensor 14 stammt,
nicht zum selben Zeitpunkt wie das Maximum 86 des Signals 82 auftritt,
das von dem stromabwärts liegenden Temperatursensor 12 stammt.
Tatsächlich liegt eine Zeitverzögerung Δt
zwischen den Maxima 84 und 86 von jedem der AC-Signale 80 und 82 vor.
Die Zeitdifferenz Δt ist die Zeitverzögerung oder
Phasenverschiebung, aus welcher das Verarbeitungs-Subsystem 22 zusammen
mit dem bekannten Abstand zwischen den Temperatursensoren, z. B.
dem Abstand d, die Fluidströmungsgeschwindigkeit Bestimmen
kann, wobei Δt die Zeitdauer ist, während welcher
ein vorgegebener Anteil des strömenden Fluids von einem
Sensor zu dem anderen Sensor, beispielsweise von einem stromaufwärts
befindlichen Sensor zu einem stromabwärts befindlichen
Sensor übergeht.
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6 stellt
Testergebnisse dar, wenn ein Gebläse zur Simulation einer
Fluidströmung verwendet wurde. Die Gebläseeinstellung
ist über der y-Achse aufgetragen und gemäß Darstellung
wurde dort, wo die Gebläseeinstellung beispielsweise von 3000
auf 9000 Umdrehungen pro Minute verdreifacht wurde, die berechnete
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Rohrleitung
ebenfalls von 1,524 m/s (5 ft/s) auf 4,572 m/s (15 ft/s) verdreifacht.
Die Wiederholbarkeit dieser Ergebnisse unter denselben simulierten
Strömungsbedingungen ist in 7 dargestellt,
wobei zwei Testläufe durchgeführt wurden.
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Das
Verarbeitungs-Subsystem
22,
1, ist so
ausgelegt, dass es auf das Elektronik-Subsystem
20 reagiert
und die AC-Signale unabhängig, ob digitalisiert oder nicht,
analysiert, und ist in einer Variante dafür ausgelegt,
die Zeitverzögerung Δt zwischen den AC-Signalen
80 und
82,
4,
in einem Beispiel unter Anwendung von Kreuzkorrelationstechniken
zu detektieren, die sehr ähnlich zu Kreuzkorrelationstechniken
sind, wie sie auf dem Fachgebiet von Ultraschallströmungsmessungen
bekannt sind. Nicht einschränkende Beispiele von Kreuzkorrelationstechniken,
welche für die Verwendung mit der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in den
U.S. Patenten Nr. 4 787 252 und dem
U.S. Patent Nr. 6 293 156 dargestellt, wovon
jedes hierin durch Bezugnahme beinhaltet ist. Kreuzkorrelation ist
eine hoch auflösende Zeitmesstechnik, und die zeitliche
Differenz zwischen zwei Signalen (wie z. B. zwei AC-Signalen oder
Datenarrays, welche in dem Falle von zwei Sensoren durch den Maximalwert
des Kreuzkorrelationskoeffizienten aufgelöst werden können,
der gegeben ist durch
wobei R
80,82(τ)
der Kreuzkorrelationskoeffizient ist, f(t) das Signal
80 aus
einem Sensor (z. B. dem Sensor
14) repräsentiert
und f(t + τ) das Signal
82 aus einem anderen Sensor
(z. B. dem Sensor
12) zu einem späteren Zeitpunkt
repräsentiert. Die Zeitverzögerung Δt
kann dann bestimmt werden, wenn der Kreuzkorrelationskoeffizient
seinen Maximalwert besitzt, der gegeben ist durch
R80,82(Δt) =
max(R80,82(τ)) (2) -
Somit
ist die Kreuzkorrelation insbesondere für sehr kleine Zeitverzögerungen Δt
oder Phasenverschiebungen zwischen zwei Signalen, wie z. B. Signalen
aus den ersten und zweiten Temperatursensoren 12 und 14,
geeignet. Unter Nutzung von Information, die in den aus dem Elektronik-Subsystem 20 empfangenen AC-Signalen
enthalten ist, wie z. B. der Zeitverzögerung Δt
zwischen den Maximas 84 und 86, 4,
und dem bekannten Abstand d zwischen den Sensoren wie z. B. den
ersten und zweiten Temperatursensoren 12 und 14, 1,
ist das Verarbeitungs-Subsystem 22 dafür ausgelegt,
die Geschwindigkeit oder den Durchfluss von Fluid 16 in
einer Rohrleitung 18 zu berechnen, welche aus Δt
und dem Abstand d in dem Fachmann bekannter Weise bestimmt werden
können. In einem Beispiel wird der Fluiddurchfluss oder
die Geschwindigkeit bestimmt durch ν = dΔt (3)wobei ν der
Fluiddurchfluss oder die Geschwindigkeit, d der Abstand zwischen
den Sensoren und Δt die Zeitverzögerung zwischen
Signalen aus den Sensoren ist.
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Der
Fachmann auf diesem Gebiet wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung
nicht notwendigerweise auf die Bestimmung der Fluidströmungsgeschwindigkeit
begrenzt ist, und dass weitere Eigenschaften der Fluidströmung
bestimmt werden können, welche auf Temperatur und/oder
Fluidströmungsgeschwindigkeit beruhen, wie z. B. ein Mengendurchfluss.
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Zusätzlich
kann das Verarbeitungs-Subsystem 22 dafür ausgelegt
sein, die DC-Komponente der Eingangssignale aus den Temperatursensoren,
welche durch das Elektronik-Subsystem 20 abgetrennt wurden, wie
z. B. die DC-Komponente 100, 4, des Eingangssignals 30 (und/oder
des digitalisierten DC-Signals 100') zu nutzen. Das bzw.
DC-Signal(e) 100 (und/oder 100') können
in der herkömmlichen Weise genutzt werden, um beispielsweise
einen gemittelten Mengendurchfluss oder andere gewünschte
Parameter zu Bestimmen, indem die Temperaturdifferenz zwischen den
Sensoren gemessen wird. Derartige Parameter können verglichen
und/oder genutzt werden, um sie als eine Überprüfung
oder zur Redundanz zu verwenden.
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Eine
Zusammenfassung einer Ausführungsform eines Verfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Flussdiagrammform
in 8 dargestellt, welches beinhaltet: Detektieren
eines durch Fluidströmung bedingten Wärmeverlustes
in wenigstens zwei in Abstand angeordneten Sensoren, Schritt 110,
wie z. B. durch die Temperatursensoren 12 und 14, 1;
Empfangen von Signalen mit die detektierten Temperaturen anzeigenden
Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten, Schritt 112, 8,
beispielsweise durch das Elektronik-Subsystem 20, 1;
Abtrennen der Gleichstromkomponenten der Signale von den Wechselstromkomponenten
der Signale, Schritt 114, beispielsweise mittels des Elektronik-Subsystems 20;
und Ausgeben von Wechselstromsignalen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
des in der Rohrleitung strömenden Fluids, Schritt 116.
In einer Variante beinhaltet das Verfahren die Digitalisierung der
Wechselstromkomponente. In einem Aspekt beinhaltet das Verfahren
die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
in der Rohrleitung, und in einer Variante beinhaltet die Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit die Detektion der Zeitverzögerung
zwischen den Wechselstromsignalen, in einem Beispiel durch Kreuzkorrelation
der Wechselstromsignale. In einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids in der Rohrleitung die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit
unter Anwendung des Abstandes zwischen den zwei Stellen oder Sensoren
und der in den Wechselstromsignalen enthaltenen Information. In einer
Auslegung befinden sich die beabstandeten Stellen auf der Außenseite
der Rohrleitung und in einer weiteren Auslegung befindet sich eine
von den wenigstens zwei in Abstand angeordneten Stellen in der Fluidströmung.
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In
einer weiteren Ausführungsform enthält anstatt
oder zusätzlich zur Detektion des durch eine Strömung
bedingten Wärmeverlustes in wenigstens zwei in Abstand
angeordneten Sensoren das Verfahren den Schritt 110a, 9,
welcher die Detektion der Temperatur eines Fluids, das in einer
Rohrleitung an wenigstens zwei in dem Fluid in Abstand angeordneten
Stellen fließt, beinhaltet, und den Schritt 112a,
der das Empfangen von die detektierten Temperaturen anzeigenden
Signalen, welche Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten enthalten,
beinhaltet.
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Obwohl
die hierin dargestellten Schritte in einer speziellen Ablauffolge
dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass diese
Ablauffolge nicht einschränkend ist, und dass die Schritte
gleichzeitig oder in anderer Reihenfolge unternommen werden können.
Zusätzlich können einer oder mehrere von den Verfahrensschritten
kombiniert werden und sind nicht notwendigerweise sich gegenseitig
ausschließend.
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Demzufolge
ist es deutlich, dass Ausführungsformen des Systems und
Verfahrens der vorliegenden Erfindung eine kosteneffektive thermische
Strömungsmessung mit verbesserter Zuverlässigkeit
und Genauigkeit bereitstellen.
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Diese
Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenbarung der Erfindung,
die die beste Ausführungsweise enthalten und auch einem
Fachmann auf diesem Gebiet ermöglichen, die Erfindung auszuführen
und zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist
durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele
umfassen, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich
sind. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs
der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente besitzen,
die sich nicht von der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche
unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente
mit unwesentlichen Differenzen gegenüber der wörtlichen
Beschreibung der Ansprüche enthalten.
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Obwohl
spezifische Merkmale der Erfindung in einigen Zeichnungen dargestellt
sind und in anderen nicht, dient dieses nur zur Vereinfachung, da
jedes Merkmal mit irgendeinem oder allen anderen Merkmalen gemäß der
Erfindung kombiniert werden kann. Die Worte "umfassend", "aufweisend",
"besitzen" und "mit", wie sie hierin verwendet werden, sind breit
und umfassend zu interpretieren und auf keine physische Zwischenverbindung
beschränkt. Ferner ist jede von den in der vorliegenden
Anmeldung offenbarten Ausführungsformen nicht als die einzig
mögliche Ausführungsform anzusehen. Weitere Ausführungsformen
sind für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich und
liegen innerhalb der nachstehenden Ansprüche.
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Zusätzlich
ist jede während der Verfolgung der Patentanmeldung für
dieses Patent präsentierte Verbesserung kein Verzicht auf
irgendein in der eingereichten Anmeldung präsentier tes
Anspruchselement: Es kann von einem Fachmann auf diesem Gebiet vernünftigerweise
nicht erwartet werden, einen Anspruch zu entwerfen, der wörtlich
alle möglichen Äquivalente umfasst, da viele Äquivalente
zu dem Zeitpunkt der Verbesserung nicht vorhersehbar sind und außerhalb
einer fairen Interpretation von dem liegen, auf was (falls überhaupt)
zu verzichten ist, da die der Verbesserung zugrunde liegende Erklärung
nicht mehr als eine oberflächliche Beziehung zu vielen Äquivalenten
enthalten kann und/oder viele andere Gründe vorliegen können,
warum vom Anmelder nicht erwartet werden kann, bestimmte unwesentliche
Ersetzungen für irgendein verbessertes Anspruchselement
zu beschreiben.
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Ein
thermisches Strömungsmesssystem enthält wenigstens
erste und zweite Sensoren zum Detektieren eines durch in einer Rohrleitung
strömendes Fluid bedingten Wärmeverlustes. Die
ersten und zweiten Sensoren sind in einem vorbestimmten Abstand
voneinander angeordnet. Ein Elektronik-Subsystem reagiert auf die
wenigstens ersten und zweiten Sensoren und ist dafür ausgelegt,
Eingangssignale aus den ersten und zweiten Sensoren aufzunehmen,
die Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten enthalten, und Wechselstromsignale
zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids
auszugeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6639506 [0004]
- - US 4373386 [0004]
- - US 4787252 [0040]
- - US 6293156 [0040]
