DE102010018948A1

DE102010018948A1 - Thermischer Massendurchflussmesser mit zusätzlichen Sensormitteln sowie Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102010018948A1
Application number: DE102010018948A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kramer Axel; Dipl.-Phys. Pape Detlef
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: DE102010018948B4

Abstract

Thermischer Massendurchflussmesser zur Bestimmung des Durchflusses eines fließfähigen Mediums durch eine Rohrleitung (1), umfassend mindestens einen auf einem mit dem Medium (2) in Kontakt kommenden Sensorchip (3) angeordneten ersten Temperaturfühler (6) zur Ermittlung der Temperatur des Mediums, dessen Messsignal einer elektronischen Auswerteeinheit (4) zur Berechnung des Massendurchflusses des Mediums durch die Rohrleitung (1) zugeht, wobei zur Erkennung einer Ablagerung (10) auf dem Sensorchip (3) beabstandet zu dem ersten Temperaturfühler (6) ein zweiter Temperaturfühler (7) angeordnet ist, wobei die auch hieran angeschlossene Auswerteeinheit (4) die einen Wärmefluss (8) innerhalb des Sensorchips (3) charakterisierende Temperaturdifferenz zwischen beiden Temperaturfühlern (6, 7) überwacht, um den durch eine Ablagerung (10) hervorgerufenen Störeinfluss auf die Messung rechentechnisch zu eliminieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermischen Massendurchflussmesser zur Bestimmung des Durchflusses eines fließfähigen Mediums durch eine Rohrleitung, umfassend mindestens einen auf einem mit dem Medium in Kontakt kommenden Sensorchip angeordneten ersten Temperaturfühler zur Ermittlung der Temperatur des Mediums, dessen Messsignal einer elektronischen Auswerteeinheit zur Berechnung des Massendurchflusses des Mediums durch die Rohrleitung zugeht.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf die Ermittlung eines Volumen- oder Massenstroms eines fließfähigen Mediums, das insoweit vorzugsweise einen flüssigen bis pastösen Zustand besitzt, durch die Rohrleitung einer verfahrenstechnischen Anlage, beispielsweise für die Grundstoffindustrie, der petrochemischen Industrie oder der pharmazeutischen Industrie. Zur Ermittlung des Massendurchflusses durch eine Rohrleitung werden Messgeräte verwendet, die auf unterschiedlichen Messprinzipen beruhen, beispielsweise magnetisch-induktive Durchflussmesser, Coriolis-Massendurchflussmesser oder thermische Massendurchflussmesser. Letztere stehen im Fokus der vorliegenden Erfindung.
Das Messprinzip thermischer Massendurchflussmesser beruht auf der Abkühlung eines vom fließfähigen Medium umströmten Heizelements. Die entscheidende physikalische Größe ist dabei der Wärmeübergang a von der Außenseite des Heizelements in das Medium hinein, welche sich aus dem Verhältnis zwischen der eingebrachten Heizleistungsdichte und der Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des beheizten Temperaturfühlers und dem strömenden Medium ergibt. Dabei ist dieser Wärmeübergang a abhängig von der am Heizelement herrschenden Strömung. Der Wärmeübergang a ist somit direkt abhängig vom Massenstrom. Aus der Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Temperaturfühler und dem strömenden Medium sowie der dem beheizten Temperaturfühler zugeführten Heizleistung kann über an sich bekannte mathematische Zusammenhänge der Massenstrom berechnet werden.
Aus der DE 36 17 770 C2 geht ein thermischer Massendurchflussmesser hervor. Ein Sensorelement umfasst hierbei einen Heizwiderstand und den die Temperatur des strömenden Mediums messenden weiteren Widerstand, der stromaufwärts des Heizwiderstandes angeordnet ist. Der weitere Widerstand ist über eine Brückenschaltung mit dem Heizwiderstand sowie zwei weiteren außenliegenden elektrischen Widerständen verbunden.
Ist die Durchflussrate des strömenden Mediums durch die Rohrleitung groß, so wird eine große Wärmemenge von dem wärmerzeugenden Heizwiderstand an das strömende Medium abgegeben. Umgekehrt wird bei geringer Durchflussrate nur eine geringe Wärmemenge an das strömende Medium abgegeben. Folglich kann die Durchflussrate des strömenden Mediums durch den vorstehend erläuterten Wärmeübergang a ermittelt werden, indem hier speziell der durch den Heizwiderstand fließende elektrische Strom auf einen festen Wert gehalten wird und die Temperatur des Heizwiderstandes gemessen wird, während das strömende Medium fließt. Alternativ hierzu kann die Temperaturdifferenz zwischen dem strömenden Medium und dem Heizwiderstand auf einen festen Wert dadurch gehalten werden, dass der elektrische Strom, welcher durch den Heizwiderstand fließt, geregelt wird, worauf die Durchflussrate des strömenden Mediums aus den Änderungen des elektrischen Stromes errechnet werden kann.
Damit erfolgt bei diesem Stand der Technik die Messung rein statisch mit einer konstanten Heizleistung oder einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen dem Heizwiderstand und dem strömenden Medium.
Aus der WO 2006/018366 geht eine andere technische Lösung hervor, bei der eine dem beheizbaren Temperaturfühler zugeordnete Heizeinheit mit einem alternierenden Spannungs- oder Stromsignal beaufschlagt wird. Der Massedurchfluss des strömenden Mediums durch die Rohrleitung wird dabei anhand der Amplitude und/oder anhand der Phase des Temperaturmesssignals bestimmt, wobei das Temperaturmesssignal dem Antwortsignal des Temperaturfühlers auf die von der Heizeinheit zugeführte alternierende Heizleistung entspricht.
Hierdurch kann der Energieverbrauch für die Durchflussmessung erheblich gesenkt werden und es wird sowohl die Durchflussrate als auch die Temperatur des strömenden Mediums bestimmbar. Dabei wird allerdings immer vorausgesetzt, dass der Wärmekontakt zwischen dem Heizelement oder der zum Heizelement gehörigen Temperaturmessung und der Sensoroberfläche über die Lebensdauer des Messgeräts konstant bleibt.
In der Praxis beeinflussen allerdings Ablagerungen auf der Sensoroberfläche oder auch Veränderungen innerhalb des Sensors den Wärmekontakt und verändern diesen. Hierdurch ändern sich auch die Messeigenschaften, was zu Fehlmessungen in der Durchflussmessung führt. Das ausgegebene Messsignal kann nach längerem Betrieb dadurch deutlich von dem tatsächlichen Durchfluss abweichen.
Aus der WO 2004/001349 geht ein thermischer Massendurchflussmesser hervor, bei dem diese Problematik dadurch gelöst wird, indem die Änderungen der Messeigenschaften des Sensors detektiert werden. Hierzu wird beim Betrieb mit einem beheizten und einem unbeheizten Temperaturfühler die Funktion der beiden Temperaturfühler getauscht und der Durchfluss ebenso bei getauschter Funktion der Temperaturfühler bestimmt. Eine Abweichung von Durchflussraten während des normalen und des getauschten Betriebs zeigt dabei eine mögliche Fehlfunktion der Sensorik an. Diese Erkennung setzt jedoch eine unterschiedliche Änderung der Temperaturfühler oder eine unterschiedlich starke Ablagerung auf den beiden Temperaturfühlern voraus. Bei gleicher Ablagerung oder Änderung innerhalb der Temperaturfühler würde trotz stark abweichendem Messsignals ein korrekter Betrieb angezeigt. Auch entsteht durch den betriebsmäßigen Wechsel beider Temperarturfühler eine Messungsunterbrechung, so dass ein kontinuierlicher Betrieb des Messgeräts nicht möglich ist.
Ferner ermöglichen bekannte thermische Massendurchflussmesser gewöhnlich lediglich die Messwertauswertung eines Messsignals einer einzigen Kategorie, beispielsweise eines Temperaturverlaufs. Zusätzliche Informationen, beispielsweise über die Strömung für den Betrieb der Sensorik, Wärmeleitfähigkeitswerte oder Viskositätswerte werden nicht messtechnisch ermittelt, sondern bei der Berechnung der Durchflussrate als nur näherungsweise bekannt vorausgesetzt oder als konstant angenommen. Ändern sich allerdings derartige Parameter, so stimmt die rechentechnische Messwerteauswertung nicht mehr mit der Realität überein, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen thermischen Massendurchflussmesser zur Bestimmung des Durchflusses eines fließfähigen Mediums durch eine Rohrleitung zu schaffen, dessen Sensorik mit einfachen technischen Mitteln präzise Messergebnisse liefert.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem thermischen Massendurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 9 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass direkt auf dem Sensorchip beabstandet zu einem ersten Temperaturfühler ein zweiter Temperaturfühler angeordnet ist, wobei die daran angeschlossene Auswerteeinheit, die einen Wärmefluss innerhalb des Sensorchips charakterisierende Temperaturdifferenz zwischen beiden Temperaturfühlern überwacht, um den durch eine Ablagerung auf der Oberfläche des Sensorchips hervorgerufenen Störeinfluss auf die Messung rechentechnisch zu eliminieren.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die Sensorik mit einer Diagnose zur Bestimmung von Messwertabweichungen versehen wird, welche sich einfach und platzsparend innerhalb der Sensorik umsetzen lässt. Diese Diagnose kann unterbrechungsfrei simultan zum Durchflussmessbetrieb angewendet werden. Der allgemeine Erfindungsgedanke der Lösung besteht darin, zur Erkennung von für die Durchflussmessung hilfreiche physikalische Größen auf dem Sensorchip einen weiteren Sensor unterzubringen, der vorzugsweise mit Hilfe des hierauf vorhandenen beheizten Temperaturfühlers diese weiteren Größen ermittelt.
Konkret wird zur Erkennung von messwertverfälschenden Ablagerungen auf dem Sensorchip mit anderen Worten vorgeschlagen, einen örtlich getrennt vom beheizten Temperaturfühler vorgesehenen zweiten Temperaturfühler auf dem Sensorchip unterzubringen. Durch den Wärmefluss innerhalb des Sensorchips vom beheizten Temperaturfühler zu dem zusätzlichen Temperaturfühler entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern die von dem Wärmefluss abhängig ist. Ändert sich die Schichtdicke des Sensorchips aufgrund von Ablagerungen oder andere thermische Eigenschaften des Sensorchips, so ändert sich hierdurch auch der Wärmefluss innerhalb des Sensorchips und damit auch die Temperaturdifferenz. Aus einer Änderung der Temperaturdifferenz kann somit auf eine Änderung der Ablagerung auf dem Sensorchip geschlossen werden.
Um den Wärmefluss durch den Sensorchip auszulösen, sollte mindestens einer der beiden Temperaturfühler als ein beheizter Temperaturfühler ausgebildet sein. Wird nun der beheizte Temperaturfühler auf eine Temperatur T1 aufgeheizt, so entsteht ein Wärmefluss von dem beheizten Temperaturfühler in das den Sensorchip umgebende strömende Medium. Dieser Wärmefluss wird durch den Wärmeübergang a und damit durch die Strömung um den Sensorchip bestimmt. Dieser Vorgang bildet die messtechnische Grundlage zur nachfolgenden Bestimmung der Durchflussrate.
Zur Erzielung genauer Messergebnisse ist es wesentlich, dass der erste Temperaturfühler in einem definierten Abstand L vom zweiten Temperaturfühler entlang eines eine vorzugsweise Längserstreckung aufweisenden Sensorchips angeordnet ist. Durch diese speziellen geometrischen Randbedingungen lässt sich der der Durchflussmessung zu Grund liegende physikalische Effekt auf einfache Weise für präzise Messergebnisse nutzbar machen.
Gemäß einer die Erfindung hinsichtlich der Messwertgüte verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, die Erkennung der Ablagerung auf dem Sensorchip mit einer Erkennung der Ablagerung mit Hilfe von Frequenzsignalen zu kombinieren. Insoweit kann auf dem Sensorchip zusätzlich eine Sensorik zur Frequenzanalyse der Dicke der Ablagerung integriert werden, welche in vorteilhafterweise gleichzeitig auch zur Feststellung der Wärmekapazität des Sensorchips als weitere zusätzlich hilfreiche Größe genutzt werden kann. Die nachgeschaltete elektronische Auswerteeinheit ist zur Durchführung einer entsprechenden an sich bekannten Frequenzanalyse vorgesehen. Die Kombination der Methode zur Feststellung der Ablagerung auf dem Sensorchip mittels Frequenzsignal mit der Methode zur Erkennung der Ablagerung mittels eines zusätzlichen Sensors können gleichzeitig und unabhängig voneinander eingesetzt werden. Dabei ist die Methode mit einem zusätzlichen Sensor vor allem sensitiv auf die Beschichtungsdicke und die Wärmeleitfähigkeit, während die Methode mit Frequenzsignalen vor allem sensitiv auf die Ablagerungsdicke und die Wärmekapazität der Ablagerung ist. Hierdurch stehen zwei unabhängig voneinander ermittelte Größen hinsichtlich der Beurteilung der Ablagerung zur Verfügung, aus welchen die relativen Größen Ablagerungsdicke, Wärmeleitfähigkeit und Kapazität ermittelt werden können. Dies kann auf die rein technischen Größen für die weiteren Berechnungen beschränkt werden oder durch Ablegen der ermittelten Größen in einer Materialdatenbank als Rückmeldung an den Benutzer über den Sensorzustand verwendet werden.
Alternativ zur sensortechnischen Ermittlung weiterer störeinflussrelevanter Größen durch Sensorik ist es jedoch auch denkbar, die thermischen Eigenschaften der Ablagerung separat zu ermitteln und zwar aus mathematischen Thermen höherer Ordnung, also im einfachsten Fall rechentechnisch, was allerdings die vorstehend genannten Nachteile mit sich bringt.
Gemäß eines anderen Aspekts der Erfindung kann auch die Strömungsrichtung des fließfähigen Mediums innerhalb der Rohrleitung aus der Sensorik abgeleitet werden, indem vorzugsweise beide Temperaturfühler als beheizte Temperaturfühler ausgebildet werden und derart in Strömungsrichtung des fließfähigen Mediums hintereinander angeordnet sind, dass die Auswerteeinheit aus dem Unterschied des Wärmeübergangs a zwischen den beiden Temperaturfühlern zusätzlich die Strömungsrichtung des Mediums in der Rohrleitung ermittelt.
Außerdem lassen sich weitere Fluideigenschaften dadurch bestimmen, dass beide Temperaturfühler als beheizte Temperaturfühler ausgebildet sind und derart auf dem Sensorchip angeordnet sind, dass sich der Umschlagpunkt zwischen zwei Strömungsformen der Grenzschicht zwischen beiden Temperaturfühlern befindet, so dass die Auswerteeinheit aus der Steigerung des Wärmeübergangs a zwischen beiden Temperaturfühlern weitere Fluideigenschaften bestimmt. Diese Auswertung basiert auf der Erkenntnis, dass sich der Wärmeübergang a am stromabgelegenen Temperaturfühler in Abhängigkeit von der Position des Umschlagpunktes verändert. Die Steigerung im Wärmeübergang zwischen den beiden Temperaturfühlern ist demnach ein Maß für die Position des Umschlagpunktes und somit können hieraus bei gegebener Geometrie und der bekannten Hauptströmung des Mediums die besagten Fluideigenschaften bestimmt werden. Durch die Verwendung weiterer Wärmeübergangssensoriken kann dabei das Profil des Wärmeübergangs auf der Oberfläche des Sensorchips noch genauer ausgemessen werden und damit die Fluideigenschaften noch besser bestimmt werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Erkennung der Fluideigenschaften einen zusätzlichen Gassensor zu verwenden. Insoweit sollte die Auswerteeinheit die Fluideigenschaften über die Temperaturfühler in Kombination mit einem Gassensor zur Ermittlung von Spurengaskonzentrationen bestimmen. In vielen technischen Prozessen werden Gase eingesetzt, die mit Spuren von Wasserstoff oder anderen Gasen verunreinigt sind. Diese Verunreinigungen können unter Umständen sogar noch zeitlich veränderlich sein. Das speziell Wasserstoff fundamental andere thermische Eigenschaften – speziell die thermische Leitfähigkeit – im Vergleich zu den meisten anderen üblicherweise verwendeten Gasen – besitzt, können diese Verunreinigungen zu Fehlmessungen, beispielsweise in der Durchflussratenbestimmung, führen. Diese zur Steuerung von Industrieprozessen nötige Größe lässt sich mit der zusätzlichen Maßnahme einer Spurengaskonzentration zur Messung lösen. Daher sollte die Wasserstoff – oder Fremdgaskonzentration – so genau wie möglich ermittelt und rechentechnisch berücksichtigt werden. Aus dem Mischungsverhältnis von den angegebenen Gasen kann eine effektive thermische Leitfähigkeit des Temperaturfühlers berechnet werden, die zur Korrektur des Durchflusswertes herangezogen werden kann. Alternativ kann auch über eine Sensorkalibrierung in verschiedenen mit Spurengasen verunreinigten Referenzgasen die nötigen Korrekturwerte ermittelt werden.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Seitenansicht eines thermischen Massendurchflussmessers an einer Rohrleitung,
2 eine schematische Seitenansicht eines Temperaturfühlers,
3 eine schematische Draufsicht des Temperaturfühlers nach 2,
4 eine schematische Seitenansicht des Temperaturfühlers nach 2 mit einer Ablagerung auf dem Sensorchip,
5a eine grafische Darstellung des Wärmeübergangs a ins fließfähige Medium,
5b eine grafische Darstellung des Wärmeübergangs a im Grenzschichtbereich,
6 eine schematische Darstellung zur Erkennung der Strömungsrichtung,
7 eine schematische Darstellung der Erkennung von Fluideigenschaften.
Gemäß 1 besteht ein thermischer Massendurchflussmesser im Wesentlichen aus einer in eine Rohrleitung 1 mit durchlaufendem fließfähigem Medium 2 hineinragenden Sensorchip 3, an dem außerhalb der Rohrleitung 1 eine elektronische Auswerteeinheit 4 zur Berechnung des Massendurchflusses des Mediums 2 durch die Rohrleitung 1 angeordnet ist. Der Messwert wird an eine übergeordnete Steuereinheit 5 zur weiteren Signalverarbeitung weitergeleitet.
Nach 2 ist auf dem an der elektronischen Auswerteeinheit 4 angeordneten Sensorchip 3 ein erster Temperaturfühler 6 sowie mit einem definierten Abstand L ein zweiter Temperaturfühler 7 angeordnet. Der Sensorchip 3 weist zur Realisierung des Abstandes L eine entsprechende Längserstreckung auf. Daneben weist der Sensorchip 3 auch eine definierte Dicke d auf, welche den Wärmefluss 8 innerhalb des Sensorchips 3 mit beeinflusst. Neben dem Wärmefluss 8 innerhalb des Sensorchips 3 existiert auch ein weiterer Wärmefluss 9, welcher den Wärmeübergang a in das den Sensorchip 3 umgebende strömende Medium beschreibt.
Gemäß 3 weist der Sensorchip 3 daneben eine definierte Breite b auf. Die beiden im Sensorchip 3 angeordneten Temperaturfühler 6 und 7 sind aus einem Widerstandsdraht ausgeführt und in das Material des Sensorchips 3 eingebettet.
Gemäß 4 dient die definierte Anordnung der beiden Temperaturfühler 6 und 7 der Erkennung einer Ablagerung 10 auf dem Sensorchip 3, indem die – nicht dargestellte – Auswerteeinheit 4 die den Wärmefluss 8 innerhalb des Sensorchips 3 charakterisierende Temperaturdifferenz zwischen beiden Temperaturfühlern 6 und 7 überwacht. Hierüber kann der durch die Ablagerung 10 hervorgerufene Störeinfluss auf die Messung rechentechnisch eliminiert werden.
Zu diesem Zweck wird der erste Temperaturfühler 6 auf eine Temperatur T1 geheizt, so dass der Wärmefluss 9 von dem beheizten Temperaturfühler 6 in das den Sensorchip 3 umgebende Medium fließt. Dieser Wärmefluss 9 wird durch den Wärmeübergang a und damit durch die Strömung um den Sensorchip 3 herum bestimmt. Gleichzeitig tritt der weitere Wärmefluss 8 innerhalb des Sensorchips 3 auf, welcher den Sensorchip 3 und damit auch den zweiten Temperaturfühler 7 aufheizt. Der zweite Temperaturfühler 7 erwärmt sich damit auf eine Temperatur T2 > T1. Für kleine Abmessungen kann dieser Wärmefluss 8 in erster Näherung beschrieben werden durch die Formel: Qc = bd/Lλ(T1 – T2), wobei λ die Wärmeleitfähigkeit des Sensorchips 3 ist. Da auch von dem erwärmten Chipbereich an die Position des Wärmefühlers 2 Wärme in das umgebende Medium abgegeben wird, stellt sich am zweiten Temperaturfühler 7 eine Temperatur T2 von T2 = T1/(1 + αCL/(bdλ)) ein. C ist dabei eine von der Geometrie abhängige Konstante. Für größere Abmessungen ergeben sich recht komplexe Zusammenhänge. Für einen festen Wärmeübergang, also für eine feste Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, stellt sich damit eine konstante Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 ein, welche lediglich durch die Geometrie L, d, b des Sensorchips 3 bestimmt wird.
Ändert sich nun die Dicke d des Sensorchips 3 durch eine Ablagerung 10, so ergibt sich ein zusätzlicher Wärmefluss 11, der durch die Ablagerung 10 hindurch verläuft. Hierdurch ändert sich der Gesamtwärmefluss vom ersten Temperaturfühler 6 zum zweiten Temperaturfühler 7 und es ergibt sich bei gleicher Strömung eine andere Temperaturdifferenz. Aus der Temperaturdifferenz T1 zu T2 und dem Wärmeübergang a kann damit die Ablagerung 10 detektiert werden.
Durch diese Ablagerungserkennung mit Hilfe des zweiten Temperatursensors 7 wird diese Störgröße für die Durchflussmessung also durch die Erhöhung der Leitfähigkeit auf dem Sensorchip 3 erkannt. Die Stärke dieser Erhöhung wird dabei sowohl durch die Wärmeleitfähigkeit als auch durch die Dicke der Ablagerung 10 bestimmt. Es wird daher in erster Näherung das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit und Dicke gemessen.
Soll die Dicke der Ablagerung 10 separat und ergänzend zu der vorstehend beschriebenen Methode durchgeführt werden, so kann zusätzlich eine Frequenzanalyse erfolgen. Zu diesem Zweck weist die elektronische Auswerteeinheit 4 Frequenzanalysemittel auf, welche geeignet sind die Ablagerungsdicke sowie die Wärmekapazität der Ablagerung gesondert zu ermitteln.
Die 5a veranschaulicht den normalen Verlauf eines Wärmeübergangs a über den Sensorchip 3. Strömt das Medium über eine beheizte Überfläche eines Sensorchips 3, so wird der Wärmeübergang a von dieser Oberfläche in das Medium durch die Strömungen in Wandnähe der Rohrleitung 1 bestimmt. Es bilden sich Grenzschichten aus, welche sich von dem Anströmpunkt her über den Sensorchip 3 in Strömungsrichtung hin entwickeln und den Wärmeübergang beeinflussen. Der Wärmeübergang a ist daher über die Oberfläche des Sensorchips 3 nicht konstant, sondern ist im Allgemeinen am Anströmpunkt sehr hoch und sinkt mit fortschreitender Entfernung vom Anströmpunkt in Strömungsverlaufsrichtung x ab. Dieser graphisch veranschaulichte Verlauf kann durch eine Korrelation der Form: α(x) ~ (ρv)^mPrⁿλ/x^y beschrieben werden. ρ, v sind dabei die Dichte bzw. die mittlere Geschwindigkeit der Hauptströmung. λ, c_P, η, Pr = ηc_P/λ sind die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität, die Viskosität und die Prandtel-Zahl des strömendes Mediums welche die Fluideigenschaften beschreiben. Die Parameter m, n und y werden dabei durch die Strömungsform in der Grenzschicht – laminar oder turbulent – bestimmt. Für eine laminare Strömung ist m^~ 0,5 und für eine turbulente Strömung ist m^~ 0,8. n und y liegen im Bereich von n = 0,3 ... 06 und y = 0,2 ... 0,5.
Die Strömungsform an der Grenzschicht muss dabei nicht über die Strömungslänge konstant sein. Sondern eine laminare Grenzschicht wird nach einem hinreichenden Abstand vom Anströmpunkt in eine turbulente Grenzschicht umschlagen. Hierdurch ergibt sich auch eine entsprechende Änderung im Wärmeübergang a in Abhängigkeit von der Position auf dem Sensorchip 3.
Nach 5b steigt der Wärmeübergang a nach dem Umschlagen in eine turbulente Grenzschicht an. Die genauen Bedingungen hierfür hängen dabei von der Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit des Sensorchips 3, der Hauptströmung und den weiteren Fluideigenschaften des strömenden Mediums ab. Bei gegebener Oberfläche oder Geometrie und Hauptströmung können daher aus der Position dieses Umschlagpunktes Rückschlüsse auf die besagten Fluideigenschaften gezogen werden.
Werden gemäß 6 die beiden beheizten Temperaturfühler 6 und 7 in Strömungsverlaufsrichtung hintereinander auf der Oberfläche des Sensorchips 3 angeordnet und mit ihnen jeweils der Wärmeübergang an ihrer Position gemessen, so wird der stromabwärts gelegene Temperaturfühler 7 einen niedrigeren Wärmeübergang messen als der stromaufwärts gelegene Temperaturfühler 6. Aus der Richtung dieses Unterschieds im Wärmeübergang kann zusätzlich die Strömungsrichtung des fließenden Mediums bestimmt werden.
Der 7 ist eine Bestimmung der Fluideigenschaften mittels zweiter Temperaturfühler 6 und 7 gezeigt. Aus dem Unterschied im Wärmeübergange a zwischen diesen beiden Temperaturfühlern 6 und 7 kann auf die Fluideigenschaften rückgeschlossen werden. Werden die beiden Temperaturfühler 6 und 7 derart auf der Oberfläche des Sensorchips 3 angeordnet, dass sich der Umschlagpunkt zwischen zwei Strömungsformen der Grenzschicht zwischen diesen beiden Temperaturfühlern 6 und 7 befindet, so wird sich der Wärmeübergang am stromabgelegenen Temperaturfühler 7 in Abhängigkeit von der Position des Umschlagpunktes verändern. Die Steigung im Wärmeübergang a zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler 6 und 7 ist demnach ein Maß für die Position des Umschlagpunktes der Strömung und somit können hieraus bei gegebener Geometrie und der bekannten Hauptströmung die Fluideigenschaften bestimmt werden. Durch die Verwendung weiterer solcher Wärmeübergangssensoriken kann im Übrigen auch das Profil des Wärmeübergangs auf der Oberfläche des Sensorchips 3 noch genauer ausgemessen werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Es können vielmehr auch Abwandlungen hiervon durchgeführt werden, die vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist beispielsweise auch denkbar, andere Sensoriken mit der Doppelanordnung der erfindungsgemäßen Temperaturfühler 6 und 7 zu kombinieren, insbesondere kann auch ein zusätzlicher Gassensor zum Einsatz kommen, um aus dem Mischungsverhältnis von Gasen eine effektive thermische Leitfähigkeit zu berechnen, welche schließlich zur Korrektur des Durchflussmesswertes mit herangezogen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Rohrleitung
2: Medium
3: Sensorchip
4: Auswerteeinheit
5: Steuereinheit
6: erster Temperaturfühler
7: zweiter Temperaturfühler
8: erster Wärmefluss
9: zweiter Wärmefluss
10: Ablagerung
11: dritter Wärmefluss
12: Frequenzanalysemittel
a: Wärmeübergang
L: Abstand zwischen Temperaturfühlern
d: Dicke Sensorchip
b: Breite Sensorchip
x: Strömungsverlaufsrichtung
v: Strömungsgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3617770 C2 [0004]
WO 2006/018366 [0007]
WO 2004/001349 [0010]

Claims

Thermischer Massendurchflussmesser zur Bestimmung des Durchflusses eines fließfähigen Mediums durch eine Rohrleitung (1), umfassend mindestens einen auf einem mit dem Medium (2) in Kontakt kommenden Sensorchip (3) angeordneten ersten Temperaturfühler (6) zur Ermittlung der Temperatur des Mediums, dessen Messsignal einer elektronischen Auswerteeinheit (4) zur Berechnung des Massendurchflusses des Mediums durch die Rohrleitung (1) zugeht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Ablagerung (10) auf dem Sensorchip (3) beabstandet zu dem ersten Temperaturfühler (6) ein zweiter Temperaturfühler (7) angeordnet ist, wobei die auch hieran angeschlossene Auswerteeinheit (4) die einen Wärmefluss (8) innerhalb des Sensorchips (3) charakterisierende Temperaturdifferenz zwischen beiden Temperaturfühlern (6, 7) überwacht, um den durch eine Ablagerung (10) hervorgerufenen Störeinfluss auf die Messung rechentechnisch zu eliminieren.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Temperaturfühler (6; 7) als ein beheizter Temperaturfühler ausgebildet ist, um den Wärmefluss (8) durch den Sensorchip (3) auszulösen.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beheizte Temperaturfühlers (6) derart auf dem Sensorchip (3) angeordnet ist, dass dessen Aufheizen einen als Wärmeübergang (a) charakterisierbarer Wärmefluss (9) in das Medium auslöst, der von der Strömung um den Sensorchip (3) abhängig ist.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturfühler (6) in einem definierten Abstand (L) vom zweiten Temperaturfühler (7) entlang eines eine Längserstreckung aufweisenden Sensorchips (3) angeordnet ist.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit (4) zur genaueren Erkennung einer Ablagerung (10) auf dem Sensorchip (3) elektronische Frequenzanalysemittel (12) der Dicke der Ablagerung (10) sowie deren Wärmekapazität umfasst.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Temperaturfühler (6, 7) als beheizte Temperaturfühler ausgebildet und in Strömungsrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind, so dass die Auswerteeinheit (4) aus dem Unterschied des Wärmeübergangs (a) zwischen den beiden Temperaturfühlern (6, 7) zusätzlich die Strömungsrichtung des Mediums in der Rohrleitung (1) ermittelt.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Temperaturfühler (6, 7) als beheizte Temperaturfühler ausgebildet und derart auf dem Sensorchip (3) angeordnet sind, dass sich der Umschlagpunkt zwischen zwei Strömungsformen der Grenzschicht zwischen beiden Temperaturfühlern (6, 7) befindet, so dass die Auswerteeinheit (4) aus der Steigung des Wärmeübergangs (a) zwischen den beiden Temperaturfühlern (6, 7) zusätzliche Fluideigenschaften bestimmt.
Thermischer Massendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zusätzliche Fluideigenschaften über einen mit den Temperaturfühlern (6, 7) kombinierten Gassensor zur Ermittlung von Spurengaskonzentrationen bestimmt.
Verfahren zum Betrieb eines zumindest zwei Temperaturfühler (6, 7) umfassenden thermischen Massendurchflussmessers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Ablagerung (10) auf dem Sensorchip (3) die einen Wärmefluss (8) innerhalb des Sensorchips (3) charakterisierende Temperaturdifferenz zwischen beiden Temperaturfühlern (6, 7) überwacht wird, um den durch eine Ablagerung (10) hervorgerufenen Störeinfluss auf die Messung rechentechnisch zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Frequenzanalyse ergänzend die Dicke der Ablagerung (10) sowie deren Wärmekapazität ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Ablagerung (10) und deren Wärmekapazität rechentechnisch über eine Transformation der Berechnungsterme in eine höhere Ordnung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Unterschied des Wärmeübergangs (a) zwischen den beiden Temperaturfühlern (6, 7) zusätzlich die Strömungsrichtung des Mediums (2) in der Rohrleitung (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Steigung des Wärmeübergangs (a) im Umschlagpunkt zwischen zwei Strömungsformen der Grenzschicht zusätzliche Fluideigenschaften des Mediums (2) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer kombinierten Gaskonzentrationsanalyse des Mediums (2) zusätzliche Fluideigenschaften bestimmt werden.