DE102010042735A1

DE102010042735A1 - Thermisches Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102010042735A1
Application number: DE201010042735
Authority: DE
Inventors: Anastasios Badarlis; Vivek Kumar; Axel Pfau
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-04-26

Abstract

Thermisches Durchflussmessgerät und Verfahren zum Betreiben eines thermischen Durchflussmessgeräts mit einem ersten Sensor mit einem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und zumindest einem weiteren zweiten Sensor mit einem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer, wobei ein Entscheidungskoeffizient nach der Formel DC = (PC1 – PC2)/PC1 errechnet wird, mit PC1(t = t1) = P1,1(t1)/(T1,beheizt;ist(t = t1) – TMedium;ist(t = t1)) und PC2(t = t2) = P2,2(t2)/(T2,beheizt;ist(t = t2) – TMedium;ist(t = t2)) mit P der von den entsprechenden Widerstandsthermometern zu den Zeitpunkten t aufgenommenen Heizleistungen und den Temperaturwerten T, wobei der Wert des Entscheidungskoeffizienten die Strömungsrichtung eines Messmediums im Messrohr angibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät und ein Verfahren zur Erfassung des Durchflusses und der Strömungsrichtung eines Messmediums in einem Messrohr mit dem thermischen Durchflussmessgerät mit einem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und einem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer, welche in einer Ebene liegen, welche im Wesentlichen senkrecht auf der Messrohrachse steht.
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-Widerstandsthermometer 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.
Die Patentschriften EP 0 024 327 und US 4,083,244 zeigen verschiedene Ausgestaltungen von thermischen Durchflussmessgeräten, welche auch die Strömungsrichtung ermitteln können. Dazu sind strömungskonditionierende Körper in der Strömung vor einem Temperatursensor angeordnet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein thermisches Durchflussmessgerät bereit zu stellen, mit welchem die Strömungsrichtung des Messmediums einfach ermittelbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und einem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer, welche in einer Ebene liegen, welche im Wesentlichen senkrecht auf der Messrohrachse steht, wobei eine Platte im Messrohr auf einer Verbindungslinie zwischen dem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und dem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer angeordnet ist, welche Platte eine Hochachse und eine Längsachse aufweist, wobei die Platte so im Messrohr angeordnet ist, dass die Längsachse einen ersten Winkel zwischen 30° und 60° zur Messrohrachse aufweist und dass die Hochachse die Verbindungslinie näherungsweise senkrecht und die Ebene in einem zweiten Winkel zwischen –30° und 30° schneidet.
Die Ebene und die Verbindungslinie sind dabei lediglich gedacht und die Widerstandsthermometer berühren die gedachte Ebene und die gedachte Verbindungslinie in zumindest einem Punkt. Die Hoch- und die Längsachse der Platte sind jeweils Symmetrieachsen, und sie stehen senkrecht aufeinander. In einer Ausgestaltung schneiden sich die Hoch- und die Längsachse im Schwerpunkt der Platte. Die gedachte Verbindungslinie zwischen dem ersten und zweiten Widerstandsthermometer schneidet die Hochachse der Platte in einem Punkt. Gemäß einer Ausführungsform schneidet auch die Längsachse der Platte die Verbindungslinie zwischen dem ersten und zweiten Widerstandsthermometer in einem Punkt.
Das thermische Durchflussmessgerät weist somit einen ersten und zumindest einen weiteren, zweiten Sensor auf. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der erste Sensor ein erstes beheizbares Widerstandsthermometer in einer ersten stiftförmigen Hülse auf und der zweite Sensor weist ein zweites beheizbares Widerstandsthermometer in einer zweiten stiftförmigen Hülse auf. Die stiftförmigen Hülsen können beispielsweise parallel zueinander in das Messrohr hineinragen. Die Platte befindet sich dann zwischen der ersten stiftförmigen Hülse und der zweiten stiftförmigen Hülse, und ist beispielsweise so im Messrohr angeordnet, dass die Hochachse parallel zu den Mittelachsen der ersten und zweiten Stifthülsen steht, und wobei die Längsachse in einem Winkel zwischen 30° und 60° zur Messrohrachse aufweist.
Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts beträgt der erste Winkel zwischen der Längsachse der Platte und der Messrohrachse 45°. In einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Winkel in Abhängigkeit von der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit veränderlich. So kann der erste Winkel verändert werden, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit verändert. Die Platte ist dabei um Ihre Hochachse drehbar im Messrohr gelagert.
Weitergebildet weist das thermische Durchflussmessgerät einen dritten Sensor auf, mit welchem der Wert der Temperatur des Messmediums messbar ist. Dieser weist beispielsweise ein drittes Widerstandsthermometer in einer dritten Hülse auf, und ragt in das Messrohr hinein, wobei der Abstand zu dem ersten Sensor mindestens das 5-fache des Abstands des ersten Sensors vom zweiten Sensor beträgt. Er ist also fernab der Platte in einer von der Platte ungestörten bzw. unkonditionierten Strömung des Messmediums im Messrohr angeordnet. Beispielsweise schneidet er die Messrohrachse, d. h. dass eine Mittelachse der dritten Hülse die Messrohrachse schneidet. Alternativ ist der dritte Sensor in einer von der Platte ungestörten Strömung, z. B. näher an der Messrohrwand, platziert. Beispielsweise ist die dritte Hülse wesentlich kürzer als die erste und/oder die zweite Hülse, womit das dritte Widerstandsthermometer dann einen von der Messrohrachse bemessenen größeren Abstand zu dieser aufweist, als das erste und/zweite Widerstandsthermometer. Dann findet ebenfalls keine Beeinflussung durch die Platte statt.
Einer weiteren Weiterbildung nach beträgt der Abstand des ersten Sensors zum zweiten Sensor mindestens 6 mm, d. h. wiederum dass der Abstand der Mittelachsen der ersten und der zweiten Hülse diesen Abstand aufweisen. In weiteren Ausführungsbeispielen weisen die erste und die zweite stiftförmige Hülse einen Außendurchmesser von mindestens 2 mm auf oder die Platte weist eine Ausdehnung längs der Längsachse von mindestens 6 mm auf und/oder die Platte weist eine Ausdehnung längs der Hochachse von mindestens 10 mm auf.
In einer weiteren Weiterbildung ist die Platte so im Messrohr angeordnet, dass die Längsachse der Platte eine gedachte Verbindungslinie zwischen erstem Widerstandsthermometer, insbesondere dessen Schwerpunkts, des ersten Sensors und zweitem Widerstandsthermometer, insbesondere dessen Schwerpunkts, des zweiten Sensors in einem Punkt schneidet.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zur Erfassung des Durchflusses und der Strömungsrichtung eines Messmediums in einem Messrohr mittels eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts, welches ein erstes beheizbares Widerstandsthermometer und zumindest ein zweites beheizbares Widerstandsthermometer aufweist, wobei die Temperatur des Messmediums repräsentierende Messwerte T_Medium;ist(t) zu den Zeitpunkten t = t₀, t₁, t₂, t₃, ... t_n, mit n einer natürlichen Zahl, gemessen werden. Die, die Temperatur des Messmediums repräsentierende Messwerte, also die Messmediumstemperatur, können beispielsweise vom ersten, zweiten oder dritten Sensor gemessen werden, je nach Ausgestaltung des thermischen Durchflussmessgeräts. Dabei wird weiterhin eine erste momentane Heizleistung P_1,1(t₁) zu einem ersten Zeitpunkt vom ersten beheizbaren Widerstandsthermometer aufgenommen, wobei eine zweite momentane Heizleistung P_2,2(t₂) zu einem zweiten Zeitpunkt am zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer aufgenommen wird, wobei das erste beheizbare Widerstandsthermometer einen ersten Messwert der Temperatur T_{1,beheizt;ist}(t = t₁) zum ersten Zeitpunkt t₁ bereitstellt und ein erster, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierender Koeffizient PC₁(t = t₁) in Abhängigkeit von der vom ersten Widerstandsthermometer aufgenommenen Heizleistung P_1,1(t₁), von der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₁) und von der Temperatur des ersten beheizbaren Widerstandsthermometers T_{1,beheizt;ist}(t₁) errechnet wird, z. B. nach der Formel PC₁(t = t₁) = P_1,1(t₁)/(T_{1,beheizt;ist}(t = t₁) – T_Medium;ist(t = t₁)), wobei das zweite beheizbare Widerstandsthermometer einen zweiten Messwert der Temperatur T_{2,beheizt;ist}(t = t₂) zum zweiten Zeitpunkt t₂ bereitstellt und ein zweiter Koeffizient PC₂(t = t₂) in Abhängigkeit von der vom zweiten Widerstandsthermometer aufgenommenen Heizleistung P_2,2(t₂), von der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₂) und von der Temperatur des zweiten beheizbaren Widerstandsthermometers T_{2,beheizt;ist}(t₂) errechnet wird, z. B. nach der Formel PC₂(t = t₂) = P_2,2(t₂)/(T_{2,beheizt;ist}(t = t₂)– T_Medium;ist(t = t₂)), und wobei ein Entscheidungskoeffizient in Abhängigkeit vom ersten Koeffizienten PC₁(t₁) und vom zweiten Koeffizienten PC₂(t₂) errechnet wird, z. B. nach der Formel DC = (PC₂ – PC₁)/PC₂, wobei der Wert des Entscheidungskoeffizienten eine Strömung des Messmediums im Messrohr in einer ersten Richtung, insbesondere parallel zur Messrohrachse, angibt, wenn der Wert des Entscheidungskoeffizienten über einem vorher festgelegten Grenzwert liegt und wobei der Wert des Entscheidungskoeffizienten eine Strömung des Messmediums im Messrohr in eine zweite Richtung, dann wiederum parallel zur Messrohrachse, angibt, wenn der Wert des Entscheidungskoeffizienten unter dem vorher festgelegten Grenzwert liegt, wobei die zweite Richtung entgegen der ersten Richtung zeigt.
Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₁) zum ersten Zeitpunkt vom zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer bzw. zweiten Sensor zur Verfügung gestellt und/oder der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₂) zum zweiten Zeitpunkt wird vom ersten beheizbaren Widerstandsthermometer bzw. ersten Sensor gemessen. Es handelt sich also um alternierende Heizperioden. Insbesondere sind dann die Zeitpunkte t₁ und t₂ voneinander verschieden sind, d. h. es handelt sich bei dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt um zeitlich unterschiedliche Zeitpunkte.
In einem anderen Beispiel wird der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t) zu den Zeitpunkten t, also insbesondere zum ersten Zeitpunkt t₁ und zum zweiten Zeitpunkt t₂, von einem weiteren Temperatursensor, insbesondere von einem dritten Widerstandsthermometer, gemessen. Dann können das erste Widerstandsthermometer und das zweite Widerstandsthermometer zumindest in einem kurzen Zeitabschnitt gleichzeitig geheizt werden, die Zeitpunkte t₁ und t₂ können gleich sein, wobei in einer weiteren Weiterbildung der Erfindung die vom zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer zum Zeitpunkt t₂ aufgenommene zweite Heizleistung P_2,2(t₂) festgelegt ist oder dass am zweiten Widerstandsthermometer eine festgelegte Spannung abfällt bzw. dass am zweiten Widerstandsthermometer eine festgelegte Spannung angelegt ist. Diese ist unabhängig von der Temperatur des Messmediums bemessen. Die Heizleistung ist nach P = U²/R abhängig von der am Widerstandsthermometer angelegten bzw. abgefallenen Spannung U und dem Widerstand des Widerstandsthermometers R, welcher seinerseits abhängig von seiner aktuellen Temperatur ist, welche wiederum abhängig von der Messmediumstemperatur und deren zeitlichen Verlauf ist. Der zweite Sensor bzw. der zweite Widerstandsthermometer dient hier lediglich zur Entscheidungsfindung bezüglich der Strömungsrichtung. Nur mit Hilfe des ersten Widerstandsthermometers wird Durchfluss gemessen. Dieses wird geregelt beheizt und ist vorher im Labor kalibriert worden. Das zweite Widerstandsthermometer wird ungeregelt beheizt.
Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass der Grenzwert des Entscheidungskoeffizienten zur Entscheidung ob Strömung in der ersten Richtung oder in der zweiten Richtung vorliegt, Null ist, insbesondere wenn der erste, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Koeffizient PC₁(t₁) zum Zeitpunkt t₁ nach der Formel PC₁(t₁) = P_1,1(t₁)/(T_{1,beheizt;ist}(t = t₁) – T_Medium;ist(t = t₁)) errechnet wird, und wenn der, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Koeffizient PC₂(t₂) zum Zeitpunkt t₂ nach der Formel PC₂(t₂) = P_2,2(t₂)/(T_{2,beheizt;ist}(t = t₂) – T_Medium;ist(t = t₂)) errechnet wird, wobei dann der Entscheidungskoeffizient nach der Formel DC = (PC₁ – PC₂)/PC₁ errechnet wird und wobei dann der Grenzwert Null ist.
Das erfindungsgemäße thermische Durchflussmessgerät wird insbesondere in der industriellen Prozessmesstechnik verwendet, um beispielsweise Gase und/oder Flüssigkeiten zu messen. Dabei werden oft Vorgaben zur Leistungsbegrenzung, zum Beispiel zum Explosionsschutz getroffen und können eingehalten werden.
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 ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät im Schnitt,
2 zeigt den Verlauf des Entscheidungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Reynoldszahl.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät 1 in der Draufsicht dargestellt. Vom ersten Sensor 2 und vom zweiten Sensor 3 des thermischen Durchflussmessgeräts 1 sind jeweils nur die erste Hülse 8 und die zweite Hülse 9 zu sehen. Der Schnitt verläuft in einer Ebene senkrecht zu den Mittelachsen der Hülsen 16, 17, welche daher nur als Punkte skizziert sind. Der Pfeil 14 zeigt die Strömungsrichtung des hier nicht dargestellten Messmediums im ebenfalls nicht dargestellten Messrohr. Der zu sehende Teil des thermischen Durchflussmessgeräts 1 befindet sich im montierten Zustand jedoch in einem Messrohr.
Zwischen den Hülsen 8 und 9 verläuft eine gedachte Verbindungslinie 18. Sie entspricht in diesem Beispiel der Verbindungslinie zwischen dem ersten und zweiten Widerstandsthermometer. Sie schneidet die Mittelachsen 16, 17 der Hülsen 8, 9 näherungsweise senkrecht. In der Mitte der Verbindungslinie 18, hier in einer Ebene, in welcher Ebene die Messrohrachse 15 liegt, und welche Ebene parallel zu den Mittelachsen 16, 17 der Hülsen 8, 9 verläuft, ist der Schnittpunkt der Hochachse 19 und der Längsachse 20 des strömungsführenden Körpers, hier der Platte 12. Da die Hochachse 19 in dieser Darstellung senkrecht geschnitten ist, und daher nur als Punkt zu erkennen ist, fällt hier die Darstellung der Hochachse 19 mit der Darstellung des Schnittpunkts der Hoch- und der Längsachse 19, 20 zusammen. Dieser ist hier gleichzeitig ein Symmetriepunkt. Die Platte 12 ist punktsymmetrisch zu diesem Schnittpunkt. Durch den symmetrischen Aufbau müssen die erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräte 1 nur in eine Strömungsrichtung zur Durchflussmessung kalibriert werden. Der zweite beheizbare Widerstandsthermometer wird lediglich zur Strömungsrichtungserkennung benötigt. Die Platte 12 weist in diesem Beispiel einen Winkel α von ca. 45° zur Messrohrachse 15 und damit auch zur Verbindungslinie 18 zwischen den beiden Hülsen 8, 9 auf. Die der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigten Widerstandsthermometer sind im Wesentlichen in den Endabschnitten bzw. Spitzen der Hülsen 8, 9 angeordnet, und die Platte 12 liegt zwischen den Widerstandsthermometern. Ein dritter Sensor, welcher die Temperatur des Messmediums bestimmt ist hier nicht gezeichnet. Dieser würde in einem Bereich des Messrohrs angeordnet werden, in welchem die Strömung des Messmediums nicht oder nicht mehr von der Platte 12 beeinflusst ist.
Das Konzept dieses thermischen Durchflussmessgeräts 1 basiert auf den lokalen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums im Messrohr um die beiden Sensoren 2, 3 und dem Vergleich der beiden Koeffizienten PC₁ und PC₂, wie bereits beschrieben, mit dem Entscheidungskoeffizienten DC = (PC₂ – PC₁)/PC₂, welcher die Strömungsrichtung angibt. Die Platte 12 teilt die Strömung lokal, so dass der erste Sensor 2 in einer hier verlangsamten Strömung angeordnet ist. Durch die Platte 12 liegen Staupunkte der Strömung an der Platte 12 auf der Seite des ersten Sensors 2. Der zweite Sensor 3 hingegen ist in der beschleunigten Strömung angeordnet. Die Platte 12 weist in diesem Beispiel an beiden Enden ihrer Ausdehnung entlang ihrer Längsachse 20, zwei runde Enden auf, welche helfen, die Strömung zu beschleunigen. Der Winkel α der Platte 12 kann bei einer sich ändernden Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums im Messrohr verändert und an die Strömungsgeschwindigkeit angepasst werden.
Die Hülsen 8, 9 des ersten und des zweiten Sensors 2, 3 weisen hier in diesem Beispiel den gleichen Durchmesser auf. Der Abstand zwischen den beiden Mittelachsen 16, 17 der Hülsen beträgt hier ca. das 4,5-fache dieses Durchmessers und die Platte 12 weist eine Ausdehnung entlang ihrer Längsachse 20 von ca. dem 3-fachen und entlang ihrer Hochachse 19 von ca. dem 5-fachen dieses Durchmessers auf. Die Dicke der Platte 12, also dann ihre Ausdehnung senkrecht zu der Ebene, welche durch die Längs- und Hochachse 19, 20 aufgespannt wird, beträgt dann ungefähr das 0,5-fache des Durchmessers der Hülsen 8, 9. Die bereits erwähnten runden Enden der Platte 12 werden entsprechend von einem Radius der Größe 0.5 mm gebildet.
2 stellt den Verlauf des Entscheidungskoeffizienten (DC) in Abhängigkeit von der Reynoldszahl (Re) dar, hier von Re = –15000...15000 veranschaulicht. Der Grenzwert für die Entscheidung, ob eine Strömung in die in 1 gezeigte erste Richtung strömt oder ob die Strömung in die dazu entgegengesetzte Richtung strömt, ist 0. Bei langsamen Strömungen nähern sich die Werte für die entgegengesetzten Strömungsrichtungen einander an. Bei schnellen Strömungen liegen die Werte zur Entscheidung der Strömungsrichtung hingegen weit auseinander.
Für alle Ausgestaltungen sieht das Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts folgende Verfahrensschritte vor.
Ein erstes Widerstandsthermometer eines ersten Sensors wird während einer ersten Heizperiode aufgeheizt, ihm wird eine erste Heizenergiemenge zugeführt, und die vom ersten Widerstandsthermometer aufgenommene Heizleistung zu einem ersten Zeitpunkt bestimmt. Zusätzlich wird ein zweites Widerstandsthermometer eines zweiten Sensors während einer zweiten Heizperiode mit einer zweiten Heizenergiemenge aufgeheizt und die vom zweiten Widerstandsthermometer aufgenommene Heizleistung zu einem zweiten Zeitpunkt bestimmt, Sowohl zum ersten Zeitpunkt, wie auch zum zweiten Zeitpunkt liegt ein Messwert der Temperatur des Messmediums im Messrohr vor.
Dieser Messmediumstemperaturmesswert kann im alternierenden Betrieb zu dem ersten und zweiten Zeitpunkt vom jeweils unbeheizten Sensor gemessen werden, oder es ist ein weiterer Sensor zur Bestimmung der Messmediumstemperatur zum ersten und zweiten Zeitpunkt im Messmedium vorgesehen. Im ersten Fall ist der erste Zeitpunkt ungleich dem zweiten Zeitpunkt. Im zweiten Fall kann der zweite Zeitpunkt mit dem ersten Zeitpunkt zusammenfallen – die Heizleistungen des ersten und zweiten Sensors werden gleichzeitig bestimmt.
Die erste Heizleistung zum ersten Zeitpunkt wird in Relation gesetzt zur Differenz des Temperaturwerts des beheizten ersten Widerstandsthermometers zum ersten Zeitpunkt und des Messwerts der Temperatur des Messmediums zum ersten Zeitpunkt. Analog wird die Differenz der Temperatur des zweiten beheizten Widerstandsthermometers zum zweiten Zeitpunkt und der zum zweiten Zeitpunkt gemessenen Messmediumstemperatur gebildet, durch welche die Augblicksleistung des zweiten Widerstandsthermometers zum zweiten Zeitpunkt geteilt wird. Erhalten werden somit zwei Koeffizienten zu zwei Zeitpunkten, welche, wie oben ausgeführt, je nach Ausführung gleich oder voneinander verschieden sein können.
Ein wesentliches Merkmal dieses Verfahrens besteht nun darin, dass nur der erste Sensor zur Durchflussmessung herangezogen wird. Der erste Koeffizient ist ein den Durchfluss zum ersten Zeitpunkt widerspiegelnder Koeffizient. Die erste Heizleistung kann aus Explosionsschutzgründen begrenzt sein, z. B. auf 256 mW. Natürlich ist dann auch die zweite Heizleistung entsprechend gedeckelt. Die erste Heizleistung wird geregelt. Üblicherweise wird eine Soll-Temperaturdifferenz zwischen beheiztem und unbeheiztem Widerstandsthermometer eingestellt, z. B. 10 K. Sie ist aber nach P = U²/R, wobei U die am Widerstandsthermometer abfallende Spannung und R der Widerstand der Widerstandsthermometers ist, auch abhängig von den Widerständen der Widerstandsthermometer, welche ihrerseits wieder abhängig von der Temperatur sind. Die zweite Heizleistung ist dagegen ungeregelt in Bezug auf eine Soll-Temperaturdifferenz zwischen zweiten beheiztem Widerstandsthermometer und dem entsprechenden unbeheizten Widerstandsthermometer des ersten oder dritten Sensors. Beispielsweise durch eine vorher festgelegte Spannungs- oder Leistungsspitze einer bestimmten Größe.
Mittels der beiden nun berechneten Koeffizienten wird ein Entscheidungskoeffizient gebildet. Der erste Koeffizient wird vom zweiten Koeffizienten subtrahiert und durch den zweiten Koeffizienten geteilt. Natürlich ist auch die Subtraktion des zweiten vom ersten Koeffizienten möglich, wobei das Ergebnis dann durch den ersten Koeffizienten geteilt wird. Je nach Ausgestaltung des verwendeten erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts verschieben sich dann die Grenzwerte, wie der Fachmann weis.
Damit kann neben dem Volumen- und/oder Masse-Durchflusses auch die Strömungsrichtung eines Messmediums in einem Messrohr erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermisches Durchflussmessgerät
2: Erster Sensor
3: Zweiter Sensor
4: Dritter Sensor
5: Erstes Widerstandsthermometer
6: Zweites Widerstandsthermometer
7: Drittes Widerstandsthermometer
8: Erste Hülse
9: Zweite Hülse
10: Dritte Hülse
11: Sensorhalter
12: Platte
13: Kabel
14: Strömungsrichtung
15: Messrohrachse
16: Mittelachse der ersten Hülse
17: Mittelachse der zweiten Hülse
18: Verbindungslinie zwischen der Mittelachse der ersten Hülse und der Mittelachse der zweiten Hülse
19: Hochachse der Platte
20: Längsachse der Platte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0024327 [0008]
US 4083244 [0008]

Claims

Thermisches Durchflussmessgerät (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und einem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer, welche in einer Ebene liegen, welche im Wesentlichen senkrecht auf der Messrohrachse steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (12) im Messrohr auf einer Verbindungslinie zwischen dem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und dem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer angeordnet ist, welche Platte (12) eine Hochachse (19) und eine Längsachse (20) aufweist, wobei die Platte (12) so im Messrohr angeordnet ist, dass die Längsachse (20) einen ersten Winkel (α) zwischen 30° und 60° zur Messrohrachse (15) aufweist und dass die Hochachse (19) die Verbindungslinie näherungsweise senkrecht und die Ebene in einem zweiten Winkel (β) zwischen –30° und +30° schneidet.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (12) um Ihre Hochachse (19) drehbar gelagert ist und der erste Winkel (α) in Abhängigkeit von der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit veränderlich ist.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Durchflussmessgerät (1) einen drittes Widerstandsthermometer aufweist, mittels welchem die Temperatur des Messmediums messbar ist.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Widerstandsthermometer im Messrohr angeordnet ist, wobei der Abstand des dritten Widerstandsthermometers zu dem ersten Widerstandsthermometer mindestens das 5-fache des Abstands des ersten Widerstandsthermometers vom zweiten Widerstandsthermometer beträgt.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Widerstandsthermometer so im Messrohr angeordnet ist, dass es die Messrohrachse (15) schneidet.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Widerstandsthermometer so im Messrohr angeordnet sind, dass der Abstand des ersten Widerstandsthermometers zum zweiten Widerstandsthermometer mindestens 9 mm beträgt.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste stiftförmige Hülse (8) das erste Widerstandsthermometer umfasst und dass eine zweite stiftförmige Hülse (9) das zweite Widerstandsthermometer umfasst und dass die erste und die zweite stiftförmige Hülse (8, 9) einen Außendurchmesser von mindestens 2 mm aufweisen.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (12) eine Ausdehnung längs der Längsachse (19) von mindestens 6 mm aufweist und/oder dass die Platte (12) eine Ausdehnung längs der Hochachse (20) von mindestens 10 mm aufweist.
Verfahren zur Erfassung des Durchflusses und der Strömungsrichtung eines Messmediums in einem Messrohr, mit thermischen Durchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Temperatur des Messmediums repräsentierende Messwerte T_Medium;ist(t) zu den Zeitpunkten t = t₀, t₁, t₂, t₃, ... t_n, mit n ∊ N gemessen werden, wobei eine erste Heizleistung (P₁) zum Zeitpunkt t₁ vom ersten beheizbaren Widerstandsthermometer P_1,1(t₁) aufgenommen wird, wobei eine zweite Heizleistung (P₂) zum Zeitpunkt t₂ vom zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer P_2,2(t₂) aufgenommen wird, wobei das erste beheizbare Widerstandsthermometer einen ersten Messwert der Temperatur T_{1,beheizt;ist}(t = t₁) zu einem Zeitpunkt t₁ bereitstellt und ein erster, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierender Koeffizient PC₁ (t = t₁) in Abhängigkeit von der vom ersten Widerstandsthermometer aufgenommenen Heizleistung P_1,1(t₁), von der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₁) und von der Temperatur des ersten beheizbaren Widerstandsthermometers T_{1,beheizt;ist}(t₁) errechnet wird, wobei das zweite beheizbare Widerstandsthermometer einen zweiten Messwert der Temperatur T_{2,beheizt;ist}(t = t₂) zu einem Zeitpunkt t₂ bereitstellt und ein zweiter Koeffizient PC₂(t = t₂) in Abhängigkeit von der vom zweiten Widerstandsthermometer aufgenommenen Heizleistung P_2,2(t₂), von der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₂) und von der Temperatur des zweiten beheizbaren Widerstandsthermometers T_{2,beheizt;ist}(t₂) errechnet wird, und wobei ein Entscheidungskoeffizient in Abhängigkeit vom ersten Koeffizienten PC₁(t₁) und vom zweiten Koeffizienten PC₂(t₂) errechnet wird, wobei der Wert des Entscheidungskoeffizienten (DC) eine Strömung des Messmediums im Messrohr in einer erste Richtung (14) angibt, wenn der Wert des Entscheidungskoeffizienten (DC) über einem vorher festgelegten Grenzwert liegt und wobei der Wert des Entscheidungskoeffizienten (DC) eine Strömung des Messmediums im Messrohr in eine zweite Richtung angibt, wenn der Wert des Entscheidungskoeffizienten (DC) unter dem vorher festgelegten Grenzwert liegt, wobei die zweite Richtung entgegen der ersten Richtung (14) zeigt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₁) zum Zeitpunkt t₁ vom zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer bereitgestellt wird und/oder dass der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t₂) zum Zeitpunkt t₂ vom ersten beheizbaren Widerstandsthermometer bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwert der Temperatur des Messmediums T_Medium;ist(t) zu den Zeitpunkten t vom dritten Sensor (4) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: t₁ ≠ t₂.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: t₁ = t₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Koeffizient PC₁(t₁) zum Zeitpunkt t₁ nach der Formel PC₁(t₁) = P_1,1(t₁)/(T_{1,beheizt;ist}(t = t₁) – T_Medium;ist(t = t₁)) errechnet wird, und dass der, den Durchfluss des Messmediums durch das Messrohr repräsentierende Koeffizient PC₂(t₂) zum Zeitpunkt t₂ nach der Formel PC₂(t₂) = P_2,2(t₂)/(T_{2,beheizt;ist}(t = t₂) – TMedium;ist(t = t₂)) errechnet wird, wobei der Entscheidungskoeffizient nach der Formel DC = (PC₁ – PC₂)/PC₁ errechnet wird und dass der Grenzwert Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die vom zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer zum Zeitpunkt t₂ aufgenommene zweite Heizleistung P_2,2(t₂) festgelegt ist oder dass die am zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer abgefallene Spannung festgelegt ist.