DE102009047629A1

DE102009047629A1 - Messaufnehmer zur Messung von zumindest einer thermischen Messgröße

Info

Publication number: DE102009047629A1
Application number: DE200910047629
Authority: DE
Inventors: Dirk Boguhn; Axel Pfau; Jiri Holoubek; Jiri Polak; Anastasios Badarlis
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Innovative Sensor Technology IST AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Messaufnehmer (1) zur Verwendung in einem thermischen Durchfluss-Messgerät und Verfahren zum Betreiben dieses Messaufnehmers (1) mit einem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und zumindest einem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3), wobei zumindest eines der beiden Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) so ausgestaltet ist, dass es als Heizer betreibbar ist, wobei beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2, 3) in einer Ebene so angeordnet sind und wobei eines der Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) das andere Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) zumindest teilweise umringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messaufnehmer, insbesondere für ein thermisches Durchfluss-Messgerät, zur Messung von zumindest einer thermischen Messgröße mit einem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer und zumindest einem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer, wobei zumindest das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer so ausgestaltet ist, dass es als Heizer betreibbar ist und ein Verfahren zum Betreiben des Messaufnehmers.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren, die in, meist stiftförmigen, Metallhülsen, sog. Stingers, angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Für die industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Temperatursensoren können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. aktiver Temperatursensor, der mittels einer 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 Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen sog. passiven Temperatursensor: Er misst die Temperatur des Mediums.
Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als der beheizte Temperatursensor, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung.
Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des sog. Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung ,t-switch', ,t-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
Bisher wurden hauptsächlich RTD-Elemente mit wendelförmig gewickelten Platindrähten in thermischen Durchflussmessgeräten eingesetzt. Bei Dünnfilm-Widerstandsthermometern (TFRTDs) wird herkömmlicherweise eine mäanderförmige Platinschicht auf ein Substrat aufgedampft. Darüber wird eine weitere Glasschicht zum Schutz der Platinschicht aufgebracht. Der Querschnitt der Dünnfilm-Widerstandsthermometern ist im Unterschied zu den, einen runden Querschnitt aufweisenden RTD-Elementen, rechteckig. Die Wärmeübertragung in das Widerstandselement und/oder aus dem Widerstandselement erfolgt demnach über zwei gegenüberliegende Oberflächen, welche zusammen einen Großteil der Gesamtoberfläche eines Dünnfilm-Widerstandsthermometers ausmachen.
Sind nun zwei Dünnfilm-Widerstandsthermometer nahe beieinander auf einem Bauteil, wie z. B. in einer Wärmebrücke, wie in der US 2009/0260431 A1 gezeigt, oder auf einer Gehäusewand, wie in der DE 10 2005 015 691 A1 zu sehen ist, angebracht, entsteht ein Übersprechen des heizenden Sensors zum Temperatur messenden Sensor. Dadurch ist die Messgenauigkeit des Messaufnehmers im Bereich hohen Durchflusses begrenzt, insbesondere bei flüssigen Messmedien mit großen Wärmeübergangskoeffizienten, wie z. B. Wasser.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Messaufnehmer, insbesondere für ein thermisches Durchfluss-Messgerät, bereit zu stellen, welcher eine verbesserte Sensitivität und einen erweiterten Messbereich ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1, 7 und 10.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungen finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wieder.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen hier kurz näher erläutert werden.
Ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer ist z. B. zur Kalorimetrie und/oder zur Temperaturmessung, insbesondere für ein Messgerät zur Erfassung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, geeignet. Er weist zwei Dünnfilm-Widerstandsthermometer auf, von welchen mindestens eines beheizbar ist bzw. so ausgestaltet ist, dass es als Heizer betreibbar ist. Beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer sind auf einer Fläche angeordnet, insbesondere einer Gehäusewand. Diese kann leicht gekrümmt sein, ist jedoch gemäß einer Ausgestaltung eben – die Dünnfilm-Widerstandsthermometer sind somit koplanar angeordnet. Neben der koplanaren Anordnung weisen beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer insbesondere einen gemeinsamen Flächenschwerpunkt auf. Eines der beiden Dünnfilm-Widerstandsthermometer umringt dabei das andere zumindest teilweise. Somit kann im Betrieb des Messaufnehmers das unbeheizte Dünnfilm-Widerstandsthermometer das beheizte umringen oder umgekehrt. In einem Ausführungsbeispiel ist das beheizte Dünnfilm-Widerstandsthermometer vom unbeheizten umringt. Gemäß einer Ausgestaltung sind beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer so ausgestaltet, dass sie als Heizer betreibbar sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein erstes Dünnfilm-Widerstandsthermometer als Heizer betreibbar und innerhalb einer kreisförmigen Fläche angeordnet und ein zweites Dünnfilm-Widerstandsthermometer ist innerhalb einer ringförmigen Fläche angeordnet, wobei die ringförmige Fläche konzentrisch um die kreisförmige Fläche angeordnet ist.
Insbesondere bei flüssigen Messmedien und/oder bei hohen Massedurchflüssen weist die Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik gesteigerte Sensitivität auf, insbesondere durch eine eindimensionale Wärmeleitung quer zum Dünnfilm-Widerstandsthermometer. Ein weiterer Vorteil ist die Übertragbarkeit der Kalibrierung bzw. der Kalibrierkurve von einem Kalibriermedium auf andere Messmedien. Messmedien können dabei einphasig oder mehrphasig sein. Meist werden sie als Fluide oder auch Prozessmedien bezeichnet. Durch die durch den einfachen Aufbau des Messaufnehmers bedingte einfache Herstellung, ist ein damit ausgestattetes thermisches Durchflussmessgerät kostengünstig herzustellen.
In weiteren Ausgestaltungen sind das erste Widerstandsthermometer und das zweite Widerstandsthermometer so angeordnet, dass ein minimaler Abstand zwischen erstem Dünnfilm-Widerstandsthermometer und zweitem Dünnfilm-Widerstandsthermometer mindestens 0.1 mm beträgt und/oder das erste Widerstandsthermometer und das zweite Widerstandsthermometer sind so angeordnet, dass ein maximaler Abstand zwischen erstem Dünnfilm-Widerstandsthermometer und zweitem Dünnfilm-Widerstandsthermometer höchstens 3 mm beträgt. Die Abstände hängen natürlich von der im Betrieb vorherrschenden Heizleistung bzw. der maximal aufzunehmenden Heizleistung des als Heizer betreibbaren Dünnfilm-Widerstandsthermometer ab und von dem Material, welches die Wärme von einem Dünnfilm-Widerstandsthermometer zum anderen leitet, wie z. B. eine Gehäusewand, auf welcher sie angeordnet sind und/oder ein eventueller Verguss, welcher beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer bedeckt.
Das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer kann z. B. auch eine Punkt- und/oder achsensymmetrische Form aufweisen und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer weist ebenfalls eine Punkt- und/oder achsensymmetrische Form auf. Der Symmetriepunkt und/oder die Symmetrieachse des ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometers ist dann beispielsweise identisch mit dem Symmetriepunkt und/oder mit der Symmetrieachse des zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometers. In einer Alternativen können die elektrischen Leiter, aus denen die Dünnfilm-Widerstandsthermometer bestehen, auch näherungsweise homogen auf der kreisförmigen bzw. ringförmigen Fläche verteilt sein.
Sind das erste beheizbare Dünnfilm-Widerstandsthermometer und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer zusammen auf einem Flexprint angeordnet, können die elektrischen Leiter der Dünnfilm-Widerstandsthermometer auf diesen aufgedampft sein.
Ist sowohl das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer als auch das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer als Heizer betreibbar, können die Dünnfilm-Widerstandsthermometer in Reihe geschaltet sein, und somit gemeinsam als Heizer betrieben werden, oder sie sind so beschaltet, dass sie unabhängig voneinander als Heizer betreibbar und beheizbar sind. Im ersten Fall sind die Spannungen zur Widerstands- und damit zur Temperaturmessung beider Dünnfilm-Widerstandsthermometer separat abgreifbar und es ist beispielsweise nur eine Leistungselektronik zur Versorgung beider Dünnfilm-Widerstandsthermometer mit der nötigen Heizleistung vorgesehen. Im zweiten Fall sind beispielsweise zwei getrennt regelbare Leistungselektroniken zur Versorgung der Dünnfilm-Widerstandsthermometer vorgesehen.
Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchfluss-Messgerät weist mindestens einen erfindungsgemäßen Messaufnehmer mit zwei Dünnfilm-Widerstandsthermometern auf, von welchen zumindest eines der Beiden als Heizer betreibbar ist. Sie sind z. B. in einem Gehäuse an einer Gehäusewand thermisch gekoppelt, z. B. dort angeklebt. Dünnfilm-Widerstandsthermometer weisen meist eine aktive Seite auf. Es versteht sich von selbst, dass insbesondere die aktive Seite, des Messaufnehmers bzw. der Dünnfilm-Widerstandsthermometer ist mit der Gehäusewand verbunden ist. Die Gehäusewand berührt auf der anderen Seite im Betrieb das Messmedium.
Die Gehäusewand besteht beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff oder einer metallischen Legierung, insbesondere Edelstahl. Die Dünnfilm-Widerstandsthermometer selbst sind meist aus elektrischen Leitern aus Platin hergestellt. Die Gehäusewand weist eine Dicke von höchstens 1 mm auf. Auch dieser Wert hängt u. a. wiederum stark von der Heizleistung und dem Material der Gehäusewand, deren Wärmeleitkoeffizienten, dem Wärmeübergang zum Messmedium, der Festigkeit des Materials, vom Druck und der Prozess- bzw. Messmediumstemperatur ab.
Auf der nicht mit der Gehäusewand verbundenen Seite der Dünnfilm-Widerstandsthermometer ist beispielsweise ein Verguß oder eine Wärmeleit- oder isolierende Paste oder ein Pulver angebracht. Diese ist meist thermisch isolierend, was bedeutet, dass das Material einen Wärmeleitkoeffizienten von kleiner 1 W/mK aufweist. Ist das Material, mit welchem die Dünnfilm-Widerstandsthermometer rückseitig bedeckt sein können dagegen wärmeleitend, beträgt der Wärmeleitkoeffizienten mindestens 5 W/mK.
Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchfluss-Messgerät kann zusätzlich noch einen weiteren, Temperaturfühler zur Erfassung der Messmediumstemperatur aufweisen. Da das erste und zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer ebenfalls Temperaturfühler sind, könnte der Temperaturfühler zur Erfassung der Messmediumstemperatur, welcher im Übrigen insbesondere separat zum ersten und zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer im Messmedium angeordnet ist, als dritter Temperaturfühler bezeichnet werden.
Verwendung findet ein erfindungsgemäßes thermisches Durchfluss-Messgerät, insbesondere dadurch, dass der Durchfluss von flüssigen Messmedien, z. B. wässrigen Lösungen, bestimmt wird. Jedoch sollen Gase als Messmedien hier nicht ausgeschlossen werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchfluss-Messgeräts bezieht sich auf das erfindungsgemäße thermische Durchfluss-Messgerät mit einem dritten Temperaturfühler. Dieser stellt einen Messwert bereit, welcher die die Temperatur des Messmediums repräsentiert. Nachfolgend sind die Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, welche sich auf die aktuellen Werte, insbesondere an einem Zeitpunkt t₀ von einem Heizer aufgenommene Momentanleistung.
Demnach stellt das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer einen ersten Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur zu einem Zeitpunkt t₀ bereit. Zum identischen Zeitpunkt t₀ wird eine erste Heizleistung P_1,1(t₀) vom ersten als Heizer betreibbaren Dünnfilm-Widerstandsthermometer aufgenommen, wobei das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer einen zweiten Messwert T_2,2(t₀) der Temperatur zu dem Zeitpunkt t₀ bereitstellt und wobei der dritte Temperaturfühler einen dritten Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur zu dem Zeitpunkt t₀ bereitstellt, welcher dritte Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur die Temperatur des Messmediums repräsentiert, wobei eine den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Größe PC(t₀) zum Zeitpunkt t₀ errechnet wird, aus dem Quotienten aus erster Heizleistung P_1,1(t₀) und der Differenz aus erstem Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur oder zweitem Messwert T_2,2(t₀) der Temperatur und dem dritten Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur. Die Berechnungsformeln für die den Durchfluss repräsentierende Größe lauten demnach
oder
Die erste Heizleistung ist hier die momentane Heizleistung des Dünnfilm-Widerstandsthermometers, welches als Heizer betrieben wird. Das als Heizer betriebene Dünnfilm-Widerstandsthermometer wird auf eine vorgegebene Temperatur bzw. auf einen vorgegebenen ersten Messwert der Temperatur geheizt. Üblicherweise geschieht dies während einer Heizperiode. Alternativ zur Momentanleistung könnte daher auch die aufgebrachte Wärmemenge in einem bestimmten zeitlichen Intervall zur Berechnung der den Durchfluss repräsentierende Größe herangezogen werden. Dazu könnten auch über diese Zeit gemittelte Temperaturmesswerte verwendet werden. In der Praxis geschieht die Aufheizung jedoch sehr schnell und es wird in diesem Model davon ausgegangen, dass sich sowohl der Durchfluss des Messmediums durch das Messmedium nicht wesentlich ändert zwischen den Zeitpunkten t0 und t1, welche ein zeitliches Intervall begrenzen, als auch dass sich die chemische Zusammensetzung des Messmediums in diesem zeitlichen Intervall nicht wesentlich ändert und dass sich die Temperatur des Messmediums nicht wesentlich ändert. Somit sind Wärmeübergang und Massenstrom bzw. Massendurchfluss des Messmediums durch das Messrohr im Wesentlichen gleich, wodurch die Temperaturen zwischen diesen zwei Zeitpunkten sich nicht ändern bzw. näherungsweise konstant sind. Die benötigte momentane erste Heizleistung zu dem Zeitpunkt t₀, um einen vorgegebenen ersten Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur zu einem Zeitpunkt t₀ zu erreichen, ist also für die Berechnung des Durchflusses des Messmediums heranzuziehen. Sie wird entsprechend zum Zeitpunkt t₀ so bemessen, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer einen vorgegebenen ersten Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀ bereitstellt.
Sie, die erste Heizleistung P_1,1(t₀) zum Zeitpunkt t₀, wird in einem Ausführungsbeispiel abhängig vom dritten Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀ bemessen, insbesondere wird die erste Heizleistung P_1,1(t₁) zum Zeitpunkt t₁ abhängig vom dritten Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀ so bemessen wird, dass sich eine vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen erstem Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur und dritten Messwert T_3,3(t₀) der Temperatur (T_1,1(t₀) – T_3,3(t₀) = konst.) einstellt.
Alternativ zu einer konstanten Temperaturdifferenz wird die erste Heizleistung P_1,1(t) über alle Zeitpunkte t mit t = t₀, t₁, t₂, ..., t_n konstant gehalten, mit n einer natürlichen Zahl.
Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer als Heizer betreibbar ist und dass zum Zeitpunkt t₀ eine zweite Heizleistung P_2,2(t₀) vom zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer aufgenommen wird, wobei die zweite Heizleistung P_2,2(t₀) zum Zeitpunkt t₀ ungleich der ersten Heizleistung P_1,1(t₀) zum Zeitpunkt t₀ ist oder wobei die zweite Heizleistung P_2,2(t₀) zum Zeitpunkt t₀ gleich ist der ersten Heizleistung P_1,1(t₀) zum Zeitpunkt t₀. Dabei kann die erste Heizleistung P_1,1(t₀) zum Zeitpunkt t₀ und die zweite Heizleistung P_2,2(t₀) zum Zeitpunkt t₀ so bemessen werden, dass der zweite Messwert T_2,2(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀ ungleich ist dem ersten Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀, erster als Heizer betriebenes und zweites als Heizer betriebenes Dünnfilm-Widerstandsthermometer haben unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche Temperaturdifferenzen zu drittem Temperaturfühler, oder die erste Heizleistung P_1,1(t₀) zum Zeitpunkt t₀ und die zweite Heizleistung P_2,2(t₀) zum Zeitpunkt t₀ sind so bemessen, dass der zweite Messwert T_2,2(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀ gleich ist dem ersten Messwert T_1,1(t₀) der Temperatur zum Zeitpunkt t₀.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers,
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers,
3 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer 1 in der Draufsicht dargestellt. Ein erstes Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 ist als Heizer betreibbar, hier dargestellt durch sichtlich deutlich mehr Windungen, z. B. aus Platin, der als Planarspule dargestellten Dünnfilm-Widerstandsthermometer, im Vergleich zum zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer 3, welches so ausgestaltet und angeordnet ist, dass es das erste beheizbare Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 zumindest teilweise umringt. Hier sind die Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 nicht nur koplanar sondern auch konzentrisch angeordnet.
Beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 sind in einer Ebene angeordnet. Sie weisen jeweils eigene Zuführleitungen 4 auf, welche hier etwas dicker gezeichnet sind. Sie haben einen vernachlässigbaren Widerstand und somit keinen Einfluss auf die Widerstandsmessung und damit auf die Temperaturmessung und/oder auf die gemessene, vom Heizer aufgenommene Heizleistung. An den Anschlussstellen 5 kann ein Messgerät, z. B. ein Spannungsmesser, oder ein Speisegerät zur Energieversorgung angeschlossen werden. Das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer 3 ist nicht als Heizer betreibbar. Nicht dargestellt ist, dass beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 auf einem Flexprint angeordnet sind. Wird dieser Flexprint nun auf eine gewölbte Fläche einer Gehäusewand aufgebracht, wölbt sich auch der Flexprint und die Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 liegen nicht mehr in einer Ebene. Werden die Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 mehrerer baugleicher Messaufnehmer 1 so auf die gewölbte Fläche aufgebracht, dass ihr gemeinsames Zentrum, beispielsweise ihr jeweiliger und gemeinsamer Flächenschwerpunkt, in der Wölbung und die Wölbung in der Strömung des Messmediums durch das Messrohr so angeordnet sind, dass die Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 immer gleichen Bedingungen ausgesetzt sind, könnten die daraus entstandenen Messgeräte in der Lage sein, vergleichbare Messwerte zu liefern. Aufgrund des fertigungstechnischen Aufwands, diese Lage zu gewährleisten, ist jedoch die bevorzugte Ausführung, den Messaufnehmer 1 an eine ebene Gehäusewand anzubringen. Diese ist auch einfach in der Strömung des Messmediums zu platzieren.
Der als Heizer ausgestaltete erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 wird hier beispielsweise über eine Regelung auf eine konstante Temperaturdifferenz zu einem dritten, hier nicht gezeigten, Temperaturfühler aufgeheizt eingeregelt. Der dritte Temperaturfühler misst die Prozesstemperatur des Prozess- bzw. Messmediums. Mit dem zum Heizer konzentrischen zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer 3 wird annähernd die Oberflächentemperatur der Gehäusewand gemessen. Ist die Oberflächentemperatur der Gehäusewand bekannt, kann der Wärmeübergang direkt bestimmt werden. Dabei ist die Messgröße der so genannte Powerkoeffizient
2 veranschaulicht nun eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 1 in der Draufsicht. Neben dem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 ist nun auch das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer 3 als Heizer betreibbar. Dieses ist konzentrisch um das als runder Heizer ausgestalteten erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 angeordnet. Das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 liegt somit in einer kreisförmigen Fläche und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer 3 liegt in einer ringförmigen Fläche. Beide Heizer werden unabhängig voneinander mit zwei Leistungselektroniken geheizt. Die Temperaturdifferenz beider Heizer wird zu einem dritten Temperaturfühler eingestellt. Dabei ergeben sich viele Freiheitsgrade. So lassen sich beispielsweise identische oder unterschiedliche Temperaturdifferenzen von erstem und zweitem Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2, 3 zum dritten Temperaturfühler einregeln. Alternativ wird, wie in der Ausführung von 1, nur eines der beiden Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2, 3 geheizt und das andere, ungeheizte liefert zusätzliche Informationen in Form einer Temperaturmessung.
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 1 skizziert. Wie schon in 2 sind auch hier beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 beheizbar, d. h. als Heizer betreibbar. Hier sind jedoch die elektrischen Leitungen, welche dann als Heizwiderstände genutzt werden, aus welchen die Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 bestehen, in Serie geschaltet, so dass beide Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 mit dem gleichen Heizstrom durchflossen werden. Dies bedingt ein festes Verhältnis der erzeugten Heizleistungen. Diese Variante ist vergleichsweise kostengünstig, da eine Heizung bzw. Leistungselektronik und eine Zuführleitung 4 gespart werden. Ein Abgriff der Widerstände bzw. der Temperaturmesswerte der beiden Dünnfilm-Widerstandsthermometer 2 und 3 ist jedoch durch die drei Anschlussstellen 5 weiterhin möglich.
Beide in 2 und 3 offenbarten Varianten des Messaufnehmers 1 haben zum Ziel, im mittleren Bereich eine eindimensionale Wärmeleitung durch die Gehäusewand zu erzielen. Die in Experimenten und numerischen Berechnungen bestätigten horizontalen bzw. zum Messaufnehmer 1 parallelen Isothermen legen dies nahe. Ein Vorteil der Realisierung dieser eindimensionalen Wärmeleitung liegt nun darin begründet, dass durch eine Kalibrierung des thermischen Widerstands in Kenntnis des Wärmestroms auf die Oberflächentemperatur an der Stelle des inneren Heizers geschlossen werden kann. Kalibriert werden die erfindungsgemäßen Messaufnehmer beispielsweise in Kalibrierbädern.
Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass der äußere Heizer Seitenverlustwärmeströme des ersten Heizers, dessen Signal zur weiteren Berechnung des Durchflusses genutzt wird, unterbindet und/oder kompensiert. Somit ist eine ausreichende Sensitivität eines erfindungsgemäßen thermischen Durchfluss-Messgeräts auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten gegeben. In beiden Fällen ist die Messgröße für den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr gegeben durch den Powerkoeffizienten beispielsweise folgender Form:
Bezugszeichenliste

1: Messaufnehmer
2: Erstes Dünnfilm-Widerstandsthermometer
3: Zweites Dünnfilm-Widerstandsthermometer
4: Zuführleitung
5: Anschlussstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert 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.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0260431 A1 [0008]
DE 102005015691 A1 [0008]

Claims

Messaufnehmer (1) zur Messung von zumindest einer thermischen Messgröße mit einem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und zumindest einem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3), wobei zumindest das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) so ausgestaltet ist, dass es als Heizer betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) so ausgestaltet und in einer Ebene so angeordnet sind, dass das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) zumindest teilweise umringt oder dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) zumindest teilweise umringt.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) konzentrisch angeordnet sind.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) auf einem Flexprint angeordnet sind.
Messaufnehmer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) so ausgestaltet ist, dass es als Heizer betreibbar ist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) in Reihe geschaltet sind.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) so beschaltet sind, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) unabhängig voneinander als Heizer betreibbar sind.
Thermisches Durchfluss-Messgerät zur Erfassung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, mit einem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und einem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3), wobei zumindest das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) als Heizer betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messaufnehmer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit dem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und dem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) an einer ersten Seite einer Gehäusewand sind, wobei die Gehäusewand so angeordnet ist, dass eine der ersten Seite gegenüberliegende, zweite Seite der Gehäusewand im Betrieb das Messmedium berührt.
Thermisches Durchfluss-Messgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (1) mit dem ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) und dem zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) von einem wärmeleitenden und/oder wärmeisolierenden Material zumindest Abschnittsweise bedeckt ist.
Thermisches Durchfluss-Messgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Temperaturfühler zur Erfassung der Messmediumstemperatur aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchfluss-Messgeräts nach Anspruch 9, wobei das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) einen ersten Messwert T_1,1 der Temperatur bereitstellt und wobei eine erste Heizleistung P_1,1 vom ersten als Heizer betriebenen Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) aufgenommen wird, wobei das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) einen zweiten Messwert T_2,2 der Temperatur bereitstellt und wobei der Temperaturfühler einen dritten Messwert T_3,3 der Temperatur bereitstellt, welcher die Temperatur des Messmediums repräsentiert, wobei eine den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Größe PC errechnet wird, aus dem Quotienten aus erster Heizleistung P_1,1 und der Differenz aus einem vom Heizer beeinflussten Messwert der Temperatur und dem dritten Messwert T_3,3 der Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizleistung P_1,1 so bemessen wird, dass das erste Dünnfilm-Widerstandsthermometer (2) einen vorgegebenen ersten Messwert T_1,1 der Temperatur bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizleistung P_1,1 abhängig vom dritten Messwert T_3,3 der Temperatur bemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizleistung P_1,1(t) über alle Zeitpunkte t mit t = t₀, t₁, t₂, ..., t_n konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) als Heizer betreibbar ist und dass eine zweite Heizleistung P_2,2 vom zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometer (3) aufgenommen wird.