DE102010030952B4 - Device for determining and/or monitoring a volume flow and/or a flow rate - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens eines Volumendurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums,mit mindestens einer ersten Messeinheit (M1),wobei die erste Messeinheit (M1) mindestens einen ersten Temperatursensor (T1), einen zweiten Temperatursensor (T2) und ein Heizelement (H) aufweist, wobei der erste Temperatursensor (T1) eine Temperatur des Mediums misst, wobei das Heizelement (H) das Medium zumindest teilweise aufheizt,wobei der zweite Temperatursensor (T2) eine Temperatur des vom Heizelement (H) aufgeheizten Mediums misst,wobei das Heizelement (H) entlang einer Strömungsrichtung des Mediums zwischen dem ersten Temperatursensor (T1) und dem zweiten Temperatursensor (T2) angeordnet ist,mit mindestens einer zweiten Messeinheit (M2),wobei die erste Messeinheit (M1) und die zweite Messeinheit (M2) auf einem gemeinsamen Substrat (S) angeordnet sind,wobei die zweite Messeinheit (M2) mindestens einen dritten Temperatursensor (T3) aufweist,wobei der dritte Temperatursensor (T3) eine Temperatur des Mediums misst, wobei das Heizelement (H) ausgehend von der Temperaturmessung des dritten Temperatursensors (T3) zumindest zeitweise im Wesentlichen konstant eine vorgegebene Temperatur aufweist,undmit mindestens einer Auswerteeinheit (A),wobei die Auswerteeinheit (A) mindestens ausgehend von der Temperaturdifferenz zwischen den vom ersten Temperatursensor (T1) und vom zweiten Temperatursensor (T2) gemessenen Temperaturen und der mit dem dritten Temperatursensor (T3) gemessenen Temperatur einen ersten Wert für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ermittelt,wobei die Auswerteeinheit (A) mindestens ausgehend von der elektrischen Leistung, welche erforderlich ist, um das Heizelement (H) auf der vorgegebenen Temperatur zu halten, und der mit dem dritten Temperatursensor (T3) gemessenen Temperatur einen zweiten Wert für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ermittelt,undwobei die Auswerteeinheit (A) ausgehend von dem ersten Wert und dem zweiten Wert mindestens die Messung der ersten Messeinheit (M1) und/oder der zweiten Messeinheit (M2) korrigiertund/oderwobei die Auswerteeinheit (A) ausgehend von dem ersten Wert und dem zweiten Wert mindestens eine Aussage über die Messung der ersten Messeinheit (M1) und/oder der zweiten Messeinheit (M2) ermittelt und/oderwobei die Auswerteeinheit (A) ausgehend von dem ersten Wert und dem zweiten Wert mindestens einen Korrekturwert für die Ermittlung des ersten Wertes und/oder des zweiten Wertes ermittelt,wobei die Auswerteeinheit (A) den ermittelten Korrekturwert mit einem hinterlegten Korrekturwert vergleicht und bei einer Abweichung zwischen dem ermittelten Korrekturwert und dem hinterlegten Korrekturwert den ermittelten Korrekturwert anstelle des hinterlegten Korrekturwerts hinterlegt,wobei die Auswerteeinheit (A) den Korrekturwert nur in dem Fall eines bekannten Volumendurchflusses und/oder einer bekannten Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ermittelt und nur in dem Fall eine Korrektur des hinterlegten Korrekturwerts vornimmt, und wobei der bekannte Volumendurchfluss und/oder die bekannte Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ein Volumendurchfluss und/oder eine Durchflussgeschwindigkeit von Null ist.Device for determining and/or monitoring at least one volumetric flow rate and/or a flow rate of a medium,with at least one first measuring unit (M1),wherein the first measuring unit (M1) has at least a first temperature sensor (T1), a second temperature sensor (T2) and a Has a heating element (H), the first temperature sensor (T1) measuring a temperature of the medium, the heating element (H) at least partially heating the medium, the second temperature sensor (T2) measuring a temperature of the medium heated by the heating element (H), wherein the heating element (H) is arranged along a flow direction of the medium between the first temperature sensor (T1) and the second temperature sensor (T2),with at least one second measuring unit (M2),wherein the first measuring unit (M1) and the second measuring unit (M2 ) are arranged on a common substrate (S), wherein the second measuring unit (M2) has at least a third temperature sensor (T3),wob ei the third temperature sensor (T3) measures a temperature of the medium, the heating element (H) based on the temperature measurement of the third temperature sensor (T3) at least temporarily having a substantially constant predetermined temperature, and with at least one evaluation unit (A), the evaluation unit (A) determines a first value for the volume flow rate and/or the flow rate of the medium based at least on the temperature difference between the temperatures measured by the first temperature sensor (T1) and the second temperature sensor (T2) and the temperature measured by the third temperature sensor (T3). ,wherein the evaluation unit (A) generates a second value for the volume flow rate and/or or the flow rate of the medium is determined ,andwherein the evaluation unit (A) corrects at least the measurement of the first measuring unit (M1) and/or the second measuring unit (M2) on the basis of the first value and the second value,and/orwherein the evaluation unit (A) starts on the first value and the second Value determines at least one statement about the measurement of the first measuring unit (M1) and/or the second measuring unit (M2) and/orthe evaluation unit (A) based on the first value and the second value at least one correction value for determining the first value and /or the second value is determined, with the evaluation unit (A) comparing the correction value determined with a stored correction value and, if there is a discrepancy between the correction value determined and the correction value stored, the correction value determined is stored instead of the correction value stored, with the evaluation unit (A) storing the correction value only in the case of a known volumetric flow and/or a known D Determines the flow rate of the medium and only corrects the stored correction value if this is the case, and the known volume flow rate and/or the known flow rate of the medium is a volume flow rate and/or a flow rate of zero.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens eines Volumendurchflusses und/oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Anlagerung einer Substanz.The invention relates to a device for determining and/or monitoring at least one volume flow rate and/or one flow rate of a medium. Furthermore, the invention relates to a device for determining and/or monitoring at least one accumulation of a substance.
Bei dem Medium handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit oder allgemein um ein fließfähiges Fluid.The medium is in particular a liquid or generally a free-flowing fluid.
Bei vielen Messgeräten kommt es durch den Kontakt mit dem Medium, welches zu überwachen bzw. von dem welchem eine Prozess- oder Messgröße zu bestimmen ist, zu Ablagerungen auf den Messgeräten, welche ggf. die Messungen verhindern oder zumindest die Genauigkeit der Messung beeinflussen. Daher sind im Stand der Technik ggf. Reinigungsintervalle vorgesehen, welche jedoch zumeist zeit- und kostenintensiv sind.With many measuring devices, contact with the medium that is to be monitored or from which a process or measured variable is to be determined causes deposits on the measuring devices, which may prevent the measurements or at least affect the accuracy of the measurement. For this reason, the prior art may provide for cleaning intervals, which, however, are usually time-consuming and costly.
Zur Bestimmung von Strömungseigenschaften von Fluiden sind unter anderem thermische Messgeräte bekannt, welche zur Bestimmung des Massedurchflusses, des Volumendurchflusses oder der Durchflussgeschwindigkeit ausnutzen, dass ein strömendes Medium Wärme transportiert. Bekannt sind beispielsweise so genannte Anemometer, bei welchen die Heizleistung, die zur Beibehaltung einer bestimmten Temperatur erforderlich ist, bestimmt wird, und daraus z.B. der Massedurchfluss ermittelt wird. Ebenfalls bekannt ist die Anordnung zweier Temperatursensoren stromaufwärts und stromabwärts eines Heizelementes zur kalorimetrischen Bestimmung des Durchflusses aus der von den beiden Temperatursensoren bestimmten Temperaturdifferenz. Beide Arten von Messgerät weisen oben genanntes Problem der Ablagerung von Substanzen auf.To determine the flow properties of fluids, thermal measuring devices are known, among other things, which use the fact that a flowing medium transports heat to determine the mass flow, the volume flow or the flow rate. So-called anemometers are known, for example, in which the heating power required to maintain a specific temperature is determined and the mass flow rate, for example, is determined from this. The arrangement of two temperature sensors upstream and downstream of a heating element for the calorimetric determination of the flow from the temperature difference determined by the two temperature sensors is also known. Both types of measuring devices have the above-mentioned problem of the deposition of substances.
Aus der
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Aus der
Aus der der
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche es erlaubt, den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums auch bei dem Auftreten von mindestens einer Störgröße zuverlässig zu bestimmen.The object of the invention is therefore to propose a device which allows the volumetric flow rate and/or the flow rate of a medium to be reliably determined even if at least one disturbance variable occurs.
Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.The invention solves the problem with a device according to claim 1.
Wie zu zeigen sein wird, nutzt die vorgenannte Vorrichtung aus, dass zwei Messeinheiten zur Bestimmung der gleichen Messgröße verwendet werden, wobei eine Messeinheit aufgrund des ihr zugrunde liegenden Messprinzips unempfindlich gegenüber Ansatz bzw. Änderungen in der Umgebungstemperatur ist. Ein Vergleich der Messwerte der beiden Messeinheiten erlaubt dann eine Korrektur der Messwerte bzw. ein Erkennen des Auftretens einer Störgröße.As will be shown, the aforementioned device makes use of the fact that two measuring units are used to determine the same measured variable, with one measuring unit being insensitive to build-up or changes in the ambient temperature due to the measuring principle it is based on. A comparison of the measured values of the two measuring units then allows the measured values to be corrected or the occurrence of a disturbance variable to be detected.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht somit zum einen aus einer ersten Messeinheit, welche auf der Kalorimetermethode basiert, und einem Temperatursensor, welcher die Temperatur des Mediums bestimmt. Zwei Sensoren sind symmetrisch zu einem Heizer/Heizelement angeordnet und aus der gemessenen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Sensoren und der gemessenen Mediumstemperatur ergibt sich ein Maß für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit des Mediums. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus tritt keine Nullpunktsdrift auf und hat auch ein Ansatz keinen Einfluss auf die Messung, da nur die Differenz der Temperaturwerte der beiden Temperatursensoren betrachtet wird. Zum anderen ist eine zweite Messeinheit vorgesehen, welche auf der Anemometermethode basiert. Dabei sind ein Heizer - hier insbesondere identisch mit dem Heizer der ersten Messeinheit, welcher somit eine Doppelfunktion erfüllt - und ein Temperatursensor zu einem Regelkreis verschaltet, wobei die Leistung des Heizers so nachgeführt wird, dass eine konstante vorgegebene Temperatur vorliegt. Der Temperatursensor der zweiten Messeinheit liefert darüber hinaus den Wert für die Mediumstemperatur. Von beiden Messeinheiten lassen sich mit Hilfe des die Mediumstemperatur messenden Temperatursensors jeweils Werte für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit ermitteln. Bei einer Abweichung der beiden Werte voneinander wird erfindungsgemäß entweder ein Messwert einer der beiden Messeinheiten korrigiert oder es wird eine Aussage beispielsweise über die Genauigkeit des jeweiligen Messwerts getroffen oder es wird ein Korrekturwert für die Berechnung des Messwerts der ersten und/oder der zweiten Messeinheit ermittelt. D.h. ausgehend vom Erkennen des Vorliegens einer Störgröße, insbesondere eines Ansatzes, wird dieses Wissen auf die Ermittelung des Volumendurchflusses und/oder der Durchflussgeschwindigkeit durch die Messeinheit angewendet, welche vorzugsweise eine höhere Messgenauigkeit aufweist. Die erste Messeinheit wird somit in einer Ausgestaltung in zwei Messmodi betrieben: einmal mit der Kalorimeter- und einmal mit der Anemometermethode. Die zweite Messeinheit wird somit insbesondere durch den Heizer der ersten Messeinheit und den dritten Temperatursensor gebildet. Beide Messeinheiten sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Keramik. Durch die gemeinsame Anordnung eines Kalorimeters, eines Anemometers und eines Temperatursensors auf demselben Substrat ist eine temperaturkompensierte Messung an Hand des dritten Temperatursensors und somit die zuverlässige Bestimmung des Volumendurchflusses auch im Falle des Auftretens von Temperaturschwankungen in der Mediumstemperatur ermöglicht.The device according to the invention thus consists on the one hand of a first measuring unit, which is based on the calorimeter method, and a temperature sensor, which determines the temperature of the medium. Two sensors are arranged symmetrically to a heater/heating element and the measured temperature difference between the two sensors and the measured medium temperature results in a measure for the volume flow and/or the flow rate of the medium. Due to the symmetrical structure, there is no zero point drift and an approach has no influence on the measurement, since only the Difference of the temperature values of the two temperature sensors is considered. On the other hand, a second measuring unit is provided, which is based on the anemometer method. A heater—here in particular identical to the heater of the first measuring unit, which thus fulfills a dual function—and a temperature sensor are connected to form a control loop, with the power of the heater being tracked such that a constant, specified temperature is present. The temperature sensor of the second measuring unit also supplies the value for the medium temperature. Values for the volume flow and/or the flow rate can be determined from both measuring units with the help of the temperature sensor measuring the medium temperature. If the two values deviate from one another, according to the invention either a measured value of one of the two measuring units is corrected or a statement is made, for example, about the accuracy of the respective measured value or a correction value for the calculation of the measured value of the first and/or the second measuring unit is determined. That is, based on the recognition of the presence of a disturbance variable, in particular a build-up, this knowledge is applied to the determination of the volume flow and/or the flow rate through the measuring unit, which preferably has a higher measuring accuracy. In one embodiment, the first measuring unit is therefore operated in two measuring modes: once using the calorimeter method and once using the anemometer method. The second measuring unit is thus formed in particular by the heater of the first measuring unit and the third temperature sensor. Both measuring units are arranged on a common substrate. This is, for example, a ceramic. The joint arrangement of a calorimeter, an anemometer and a temperature sensor on the same substrate enables a temperature-compensated measurement using the third temperature sensor and thus a reliable determination of the volume flow even in the event of temperature fluctuations in the medium temperature.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit den ermittelten Korrekturwert mit einem hinterlegten Korrekturwert vergleicht und bei einer Abweichung zwischen dem ermittelten Korrekturwert und dem hinterlegten Korrekturwert den ermittelten Korrekturwert anstelle des hinterlegten Korrekturwerts hinterlegt. In dieser Ausgestaltung werden also jeweils Korrekturwerte, welche auf den Ansatz bezogen sind, hinterlegt und ggf. passend aktualisiert.According to the invention, the evaluation unit compares the determined correction value with a stored correction value and, if there is a discrepancy between the determined correction value and the stored correction value, stores the determined correction value instead of the stored correction value. In this embodiment, correction values that are related to the approach are stored and, if necessary, appropriately updated.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit den Korrekturwert nur in dem Fall eines bekannten Volumendurchflusses und/oder einer bekannten Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ermittelt und nur in dem Fall eine Korrektur des hinterlegten Korrekturwerts vornimmt. Da Abweichungen zwischen den Messwerten auch auf anderen Ursachen basieren können, wird in dieser Ausgestaltung wenigstens der Unsicherheitsfaktor Volumendurchfluss und/oder Durchflussgeschwindigkeit durch einen vorbekannten Wert ausgeglichen. D.h. der Korrekturwert wird nur dann aktualisiert, wenn der Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit selbst bekannt sind/ist.According to the invention it is provided that the evaluation unit determines the correction value only in the case of a known volume flow and/or a known flow rate of the medium and only corrects the stored correction value in this case. Since deviations between the measured values can also be based on other causes, in this embodiment at least the uncertainty factor volume flow and/or flow rate is compensated by a previously known value. This means that the correction value is only updated if the volumetric flow rate and/or the flow rate itself are/is known.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der bekannte Volumendurchfluss bzw. die bekannte Durchflussgeschwindigkeit des Mediums ein Volumendurchfluss bzw. eine Durchflussgeschwindigkeit von Null ist.According to the invention it is provided that the known volume flow or the known flow rate of the medium is a volume flow or a flow rate of zero.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Bestandteile der ersten Messeinheit und der zweiten Messeinheit mit Dünnschicht- oder Dickschichttechniken erzeugt sind.One embodiment provides that the components of the first measuring unit and the second measuring unit are produced using thin-film or thick-film techniques.
Gemäß einer Ausgestaltung sind der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor der ersten Messeinheit derartig ausgestaltet und auf dem Substrat angeordnet, dass im Falle eines Auftretens einer Störgröße die Störgröße für den ersten Temperatursensor und den zweiten Temperatursensor im Wesentlichen gleich ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist die erste Messeinheit derartig ausgestaltet, dass eine Störgröße bevorzugt an der ersten Messeinheit auftritt.According to one configuration, the first temperature sensor and the second temperature sensor of the first measuring unit are designed and arranged on the substrate such that if a disturbance variable occurs, the disturbance variable for the first temperature sensor and the second temperature sensor is essentially the same. In an alternative embodiment, the first measuring unit is designed in such a way that a disturbance variable occurs preferentially at the first measuring unit.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Störgröße um die Anlagerung einer Substanz, wobei sich die Substanz innerhalb eines im Wesentlichen entlang einer Strömungsrichtung strömenden oder nicht strömenden Mediums befindet. In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei der Störgröße um eine Änderung in der Umgebungstemperatur.In one embodiment, the disturbance variable is the accumulation of a substance, the substance being located within a medium that is or is not flowing essentially along a direction of flow. In an alternative embodiment, the disturbance variable is a change in the ambient temperature.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung zweier Messeinheiten auf einem Substrat.
-
1 : a schematic representation of two measuring units on a substrate.
In der
Die erste Messeinheit M1 besteht aus einem ersten Temperatursensor T1, einem zweiten Temperatursensor T2 und einem Heizelement H. Die beiden Temperatursensoren T1 und T2 sind entlang einer Strömungsrichtung des Mediums (hier durch den Pfeil angedeutet) symmetrisch zum Heizelement H angeordnet. Der erste Temperatursensor T1 bestimmt die Temperatur des vorbeiströmenden Mediums. Das Heizelement H erwärmt das Medium und der zweite Temperatursensor T2 ermittelt die Temperatur des erwärmten Mediums. Aus der Temperaturdifferenz lässt sich dann ein erster Wert für den Massedurchfluss ermittelt. Dies geschieht hier beispielsweise in der Auswerteeinheit A. Der dritte Temperatursensor T3 misst die Mediumstemperatur in unmittelbarer Nähe zu der ersten Messeinheit M1. Aus dem ersten Wert für den Massestrom und der Mediumstemperatur wird ein erster Wert für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit bestimmt.The first measuring unit M1 consists of a first temperature sensor T1, a second Tempe ratursensor T2 and a heating element H. The two temperature sensors T1 and T2 are arranged symmetrically to the heating element H along a flow direction of the medium (indicated here by the arrow). The first temperature sensor T1 determines the temperature of the medium flowing past. The heating element H heats the medium and the second temperature sensor T2 determines the temperature of the heated medium. A first value for the mass flow can then be determined from the temperature difference. This happens here, for example, in the evaluation unit A. The third temperature sensor T3 measures the medium temperature in the immediate vicinity of the first measuring unit M1. A first value for the volume flow and/or the flow rate is determined from the first value for the mass flow and the medium temperature.
Die zweite Messeinheit M2 besteht aus dem dritten Temperatursensor T3, wobei sich auch formulieren ließe, dass die zweite Messeinheit M2 insgesamt aus dem dritten Temperatursensor T3 und dem Heizelement H gebildet wird. Der Sensor T3 und das Heizelement H sind dabei so miteinander verbunden, dass das Heizelement H zumindest für einen vorgebbaren Zeitraum eine vorgegebene Temperatur aufweist. Aus der hierfür erforderlichen Heizleistung lässt sich dann ebenfalls ein Wert für den Massedurchfluss und in Kombination mit der gemessenen Mediumstemperatur wiederum ein Wert für den Volumendurchfluss und/oder die Durchflussgeschwindigkeit ermitteln.The second measuring unit M2 consists of the third temperature sensor T3, it also being possible to formulate that the second measuring unit M2 is formed entirely of the third temperature sensor T3 and the heating element H. The sensor T3 and the heating element H are connected to one another in such a way that the heating element H has a predetermined temperature at least for a predetermined period of time. A value for the mass flow and, in combination with the measured medium temperature, a value for the volume flow and/or the flow rate can then also be determined from the heating power required for this.
Erkennt die Auswerteeinheit A einen Unterschied zwischen den mit der ersten Messeinheit M1 und mit der zweiten Messeinheit M2 bestimmten Messwerten im Nullpunkt, d.h. ohne Durchfluss, so wird dies als Anzeichen für einen Ansatz gewertet. Wesentlich ist dabei, dass durch entsprechende Ausgestaltung und Anordnung die Messung der ersten Messeinheit M1 ansatzunabhängig ist. D.h. durch die Ausgestaltung und Anordnung wird dafür Sorge getragen, dass der erste Temperatursensor T1 und der zweite Temperatursensor T2 den gleichen Ansatz bzw. die gleich Anlagerung erfahren. Dabei wird der Heizer insbesondere für die beiden Messmodi verwendet. Der dritte Temperatursensor T3 erkennt, ob eine Änderung in der Umgebungstemperatur vorliegt, sodass unterschieden werden kann, ob ein Unterschied zwischen den beiden Messwerten auf eine Änderung der Umgebungstemperatur oder auf Ansatzbildung zurückgeht.If the evaluation unit A detects a difference between the measured values determined with the first measuring unit M1 and with the second measuring unit M2 at the zero point, i.e. without flow, this is evaluated as an indication of a build-up. It is essential that the measurement of the first measuring unit M1 is approach-independent through appropriate design and arrangement. This means that the design and arrangement ensure that the first temperature sensor T1 and the second temperature sensor T2 experience the same approach or the same attachment. The heater is used in particular for the two measurement modes. The third temperature sensor T3 detects whether there is a change in the ambient temperature, so that it can be distinguished whether a difference between the two measured values is due to a change in the ambient temperature or to the formation of deposits.
Die Erkenntnis über die Störgröße, insbesondere den Ansatz bzw. die Anlagerung wird dann je nach Umsetzung der Erfindung unterschiedlich verwendet. Handelt es sich um ein Durchflussmessgerät, so wird beispielsweise ein Messwert, z.B. der ersten Messeinheit M1 passend korrigiert. Soll die Anlagerung einer Substanz ermittelt bzw. gemessen werden, so können die beiden Messwerte direkt zur Quantifizierung der Substanz herangezogen werden. Ist überdies ein System vorgesehen, welches eine in der
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