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Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Durchflusssensor, sowie ein Verfahren zur Korrektur und/oder Überprüfung eines ermittelten Volumenstroms.
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Thermische Strömungssensoren sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Derartige Sensoren bestimmen den Volumenstrom eines Mediums bzw. Fluides (d. h. einer Flüssigkeit oder eines Gases) in einem fluidischen Kanal dadurch, dass sie den Wärmetransport eines strömenden Mediums ausnutzen. So sind bspw. anemometrische Strömungssensoren bekannt, die so aufgebaut sind, dass sie zumindest ein Heizelement aufweisen, dem im Wesentlichen eine konstante Heizleistung zugeführt wird. Zum Bestimmen des Volumenstromes wird der sich ergebende Kühleffekt ausgenutzt, den das Medium auf das umströmte Heizelement ausübt. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom des Fluids (bei gleichem Kanalquerschnitt) ist, umso größer ist die pro Zeiteinheit durch Wärmeübertragung und Konvektion über das Medium von dem Strömungssensor weggeführte Wärmemenge und umso größer muss die dem Heizelement zugeführte Leistung sein.
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Ferner sind kalorimetrische Strömungssensoren bekannt, die die Anordnung zweier Temperatursensoren, einen strömaufwärts und einen stromabwärts, um ein Heizelement herum vorsehen, um so die Temperaturdifferenz, die sich aufgrund der Strömung einstellt, auszuwerten. Gängig sind auch kalorimetrische Strömungssensoren, die lediglich einen um das Heizelement angeordneten Temperatursensor aufweisen.
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Beide Arten von Strömungssensoren weisen das Problem auf, dass die auf diese Weise ermittelten Messwerte des Volumenstroms ggfl. auch des Massenstroms Artefakte und/oder Messfehler aufweisen können. Ursache für derartige Artefakte und/oder Messfehler können beispielsweise sich bildende fluiddynamische Grenzschichten sein, die in der Nähe der Rohrwandung keinen Fluss aufweisen. Die Grenzschichten bauen sich im Bereich der Rohrwandung auf und reißen anschließend wieder ab. Der Vorgang des Aufbaus und Abrisses ist dabei wenig determiniert und äußert sich als eine im Wesentlichen periodische Signaländerung des Messsignales.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Messwertermittlung zu optimieren.
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Die Aufgabe wird durch einen thermischen Durchflusssensor und ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstromes in einem fluidischen Kanal gelöst.
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Hinsichtlich des Durchflusssensors wird die Aufgabe durch einen thermischen Durchflusssensor zur Bestimmung eines Volumenstroms in einem fluidischen Kanal, durch den ein Medium strömt, gelöst, wobei der Kanal in einem ersten Bereich einen ersten Kanalquerschnitt und in einem zweiten Bereich einen zweiten Kanalquerschnitt, der von dem ersten Kanalquerschnitt abweicht, aufweist, wobei in dem ersten Bereich zumindest ein erstes Heizelement und im zweiten Bereich zumindest ein zweites Heizelement angeordnet ist, wobei eine Regel- und Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das erste Heizelement mittels eines ersten Signals und das zweite Heizelement mittels eines zweiten Signals beaufschlagt, wobei die Regel- und Auswerteeinheit zumindest anhand des ersten Signals und/oder des zweiten Signals den Volumenstrom in dem fluidischen Kanal ermittelt und wobei die Regel- und Auswerteeinheit das erste Signal und das zweite Signal in eine Beziehung setzt, um den ermittelten Volumenstrom zu überprüfen und/oder zu korrigieren.
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Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass sich bei unterschiedlichen Kanalquerschnitten auch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten in den beiden Bereichen ergeben. Die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten führen zu unterschiedlichen Signalen an den beiden Heizelementen, die jeweils in dem ersten und zweiten Bereich angeordnet sind. Die beiden Signale der Heizelemente unterliegen jedoch einer starken Korrelation. So haben beide Signale sowohl in dem Fall, dass der Durchflusssensor nach dem anemometrischen Prinzip, als auch nach dem kalorimetrischen Prinzip ausgebildet ist, den gleichen Nullpunkt. Ferner ist in dem Fall, dass die beiden Signale der Heizelemente gleich eingestellt sind, das Verhältnis der beiden Signale unabhängig von der Heizleistung und somit auch von Temperatureinflüssen. Auf diese Weise können bspw. Messartefakte ermittelt werden, da eine Störung der Korrelation der beiden Signale einen Hinweis auf ein Ereignis (Messartefakte, parasitäre Messeffekte, etc.) gibt, das auf den sich im Kanal geänderten Volumenstrom zurückzuführen ist. Die diversen Auswertemöglichkeiten der zumindest zwei Signale der beiden Heizelemente gestatten somit auch das Erfassen und Rausfiltern bzw. Rausrechnen von parasitären Messeffekten. So treten fluiddynamische Grenzschichten, wie eingangs beschrieben, in beiden Bereichen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten auf, jedoch mit unterschiedlichem Verhalten. Somit lässt sich anhand des ersten und zweiten Signals überprüfen, ob eine zu erwartende Korrelation vorliegt und in dem Fall, dass keine zu erwartende Korrelation vorliegt, ein Artefakt detektieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung ein Korrelationsmaß aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal ermittelt und das ermittelte Korrelationsmaß mit bereits hinterlegten Korrelationsmaßen vergleicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit als Korrelationsmaß den Quotienten aus dem ersten und zweiten Signal verwendet.
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Neben dem Quotienten ist es aber auch denkbar, die Summe, das Produkt oder auch die Differenz der beiden Signale zu verwenden. Um eine Überprüfung durchzuführen, ist eine Tabelle vorgesehen, in der bspw. der Quotient, der als Korrelationsmaß dient, abgelegt ist. Dieses abgelegte bzw. hinterlegte Korrelationsmaß wird typischerweise vor dem eigentlichen Betrieb des Durchflusssensor für ein spezifisches Medium aufgenommen bzw. bestimmt und anschließend in der Tabelle hinterlegt. Auf diese Weise kann der durch den thermischen Durchflusssensor ermittelte Volumenstrom mit dem für einen spezifischen Quotienten bzw. einem spezifischen Korrelationsmaß hinterlegten Volumenstrom verglichen werden. Stimmen diese beiden Korrelationsmaße überein, kann von einer fehlerfreien Messung des Volumenstroms ausgegangen werden. In dem Fall, dass die beiden Korrelationsmaße nicht übereinstimmen (bzw. annähernd übereinstimmen), kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlmessung vorliegt.
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Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass das Korrelationsmaß zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal im Wesentlichen konstant ist, so dass im Falle einer Änderung des Korrelationsmaßes eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektierbar ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes das erste Signal und das zweite Signal miteinander vergleicht und in dem Fall, dass das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem größeren Kanalquerschnitt befindet, größer ist als das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem kleineren Kanalquerschnitt befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektiert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Regel- und Auswerteeinheit zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes die beiden Signale miteinander vergleicht und in dem Fall, dass das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem kleineren Kanalquerschnitt befindet, kleiner ist als das Signal des Heizelementes, das sich in dem Bereich mit dem größeren Kanalquerschnitt befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors detektiert.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Volumenstroms in einem fluidischen Kanal gelöst, wobei zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstroms mindestens ein erstes Signal, das zur Regelung bzw. Ansteuerung eines in einem ersten Kanalabschnitt angeordneten ersten Heizelement verwendet wird, und ein zweites Signal, das zur Regelung bzw. Ansteuerung eines in einem zweiten Kanalabschnitt angeordneten zweiten Heizelement verwendet wird, in Beziehung gesetzt wird, wobei der erste und der zweite Kanalabschnitt unterschiedliche Kanalquerschnitte aufweisen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass zur Korrektur und/oder Überprüfung ein Korrelationsmaß aus dem ersten Signal und dem zweiten Signal gebildet wird und dass dieses Korrelationsmaß mit bereits hinterlegten Korrelationsmaßen verglichen wird.
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Insbesondere sieht die Ausführungsform des Verfahrens vor, dass zur Korrektur und/oder Überprüfung der Quotient als Korrelationsmaß zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal verwendet wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der Quotient folgender Formel entspricht:
mit:
- k1, k2
- und n als fluidische Koeffizienten des ersten und zweiten Bereiches, die durch Kalibration ermittelt werden;
- U1 und U2
- als erstes Signal und als zweites Signal;
- v1 und v2
- als Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums im ersten und zweiten Bereich.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1a): eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors, der nach dem anemometrischen Prinzip arbeitet;
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1b): eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors, der nach dem kalorimetrischen Prinzip arbeitet; und
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2: mehrere schematische Darstellungen von weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zweier Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors 1. In beiden Ausgestaltungen sieht der Durchflusssensor 1 einen fluidischen Kanal 2 vor, welcher einen ersten Bereich 4 und einen zweiten Bereich 5 aufweist.
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Die beiden Bereiche 4, 5 sind derartig ausgestaltet, dass sie unterschiedliche Durchmesser und somit unterschiedliche Kanalquerschnitte A1, A2 aufweisen, wodurch ein Medium 3, welches durch den Kanal 2 strömt, eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit v1, v2 in diesen Bereichen 4, 5 bekommt.
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In 1a) ist im ersten Bereich 4 ein erstes Heizelement 6 und im zweiten Bereich 5 ein zweites Heizelement 7 angeordnet. Die Heizelemente 6, 7 sind so ausgebildet, dass sie zur Erhitzung des Mediums 3 an dieser Stelle dienen.
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Die beiden Heizelemente 6, 7 sind jeweils über eine Leitung mit einer Regel- und Auswerteeinheit 10 verbunden. Die Regel- und Auswerteeinheit 10 beaufschlagt das erste Heizelement 6 mit einem ersten Signal U1 und das zweite Heizelement 7 mit einem zweiten Signal U2 und ermittelt somit den Volumenstrom 11 gemäß dem anemometrischen Prinzip, bei dem die Heizleistung, die zur Beibehaltung einer bestimmten Temperatur erforderlich ist, bestimmt wird.
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Die Ausgestaltung in 1b) sieht vor, dass um jedes Heizelement zusätzlich zumindest ein 8a bzw. 9a, vorzugsweise zwei 8a, 8b bzw. 9a, 9b, Temperatursensorelemente angeordnet sind. Die Regel- und Auswerteeinheit 10 spricht über die Signale 12 und 13 die Temperatursensoren 8, 9 an und ermittelt somit gemäß dem kalorimetrischen Prinzip den Volumenstrom 11. Hierzu wird das durch den Kanal 2 strömende Medium 3 durch zumindest ein Heizelement 6, 7 erwärmt und die resultierende Temperaturdifferenz durch die Temperatursensoren 8a, 8b, 9a, 9b gemessen.
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Auf beide Arten lässt sich somit der Volumenstrom 11 ggfl. auch der Massestrom ermitteln. Die Erfindung ist dabei losgelöst von der Art und Weise, wie die Regel- und Auswerteeinheit 10 den Volumenstrom 11 und/oder Massestrom ermittelt.
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Erfindungsgemäß ermittelt die Regel- und Auswerteinheit 10 nicht nur den Volumenstrom 11 durch den Kanal 2, sondern überprüft und/oder korrigiert diesen auch. Hierzu setzt die Regel- und Auswerteeinheit 10 das erste Signal U1 und das zweite Signal U2 in eine Beziehung, d.h. ein Korrelationsmaß wird ermittelt.
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Ganz allgemein wird der Zusammenhang zwischen Strömung und Wärmeübertragung in das zu messende Medium
3 durch das King´sche Gesetz beschrieben. Durch algebraische Umformungen und Vereinfachungen gelangt man zu folgender Formel:
mit:
- U
- als Spannungswert des ersten bzw. zweiten Signals;
- U0
- als Offsetwert, d.h. U0 repräsentiert die konstante Temperaturdifferenz zwischen dem Heizelement und dem Medium;
- k
- und n als fluidische Konstanten, und
- v
- als Strömungsgeschwindigkeit.
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Mittels dieses Zusammenhangs lässt sich das erste Signal U
1 und zweite Signal U
2 wie folgt beschreiben:
wobei U
1 dem ersten Signal und U
2 dem zweiten Signal entspricht.
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Durch die unterschiedlichen Kanalquerschnitte A1, A2 ergeben sich bei gleichem Volumenstrom 11 unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten v1, v2 in den jeweiligen Bereichen 4, 5 und somit auch unterschiedliche Signale für U1 und U2. Beide Signale U1, U2 unterliegen jedoch einer starken Korrelation. Sowohl im Anemometer- als auch im Kalorimeterbetrieb haben beide Signale U1, U2 den gleichen Nullpunkt.
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Eine Störung der Korrelation beider Signale U1, U2 deutet in jedem Fall auf ein Ereignis hin, das nicht auf einen geänderten Volumenstrom 11 zurückzuführen ist, sondern möglicherweise auf Messartefakte, parasitäre Messeffekte, etc.. Die diversen Auswertemöglichkeiten von mindestens zwei Signalen U1, U2 gestatten weiterhin das Erfassen und Rausfiltern bzw. Rausrechnen dieser parasitären Messeffekte.
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Erfindungsgemäß lässt sich somit durch Ermitteln eines Korrelationsmaßes, bspw. einer Verhältnisbildung, des ersten Signals U1 und zweiten Signals U2 eine Aussage darüber treffen, ob möglicherweise parasitäre Messeffekte bei dem ermittelten Volumenstrom 11 vorliegen oder nicht.
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So ergibt sich beispielsweise durch Verhältnisbildung bzw. Bildung des Quotienten der beiden Signale:
mit:
- k1
- und n als fluidische Konstanten des ersten Bereiches;
- k2
- und n als fluidische Konstanten des zweiten Bereiches;
- v1
- als Strömungsgeschwindigkeit im ersten Bereich; und
- v2
- als Strömungsgeschwindigkeit im zweiten Bereich.
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Dieses Verhältnis ist unabhängig von der Temperatur des Mediums 3 und kann zur Überprüfung (Plausibilitätsprüfung) des zu ermittelnden Volumenstroms 11 bzw Massestroms herangezogen werden. Ferner kann dieses Verhältnis (oder auch ein anderers Korrelationsmaß) zur Korrektur des zu ermittelnden Volumenstroms 11 bzw. Massenstroms herangezogen werden, da das erste Signal U1 und das zweite Signal U2 in einer festen Korrelation zueinander stehen, da die Kanalquerschnitte A1, A2 in dem ersten Bereich 4 und dem zweiten Bereich 5 immer gleich sind.
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Zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes 11 greift die Regel- und Auswerteeinheit 10 auf bereits hinterlegte Korrelationsmaße zu, die bspw. in einer Tabelle abgelegt sind. Die bereits hinterlegten Korrelationsmaße wurden typischerweise vor der eigentlichen Inbetriebnahme des Durchflusssensors 1 ermittelt und in der Tabelle abgelegt. Die hinterlegten Korrelationsmaße müssen dann im eigentlichen Betrieb des Durchflusssensors 1 den aktuell ermittelten Korrelationsmaßen entsprechen, da der Aufbau, also die Kanalquerschnitte A1, A2 sich nicht ändern, wobei zu beachten ist, dass sich die bereits bestimmten Korrelationsmaße auf ein spezifisches Medium 3 beziehen.
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In dem Fall, dass die aktuell ermittelten Korrelationsmaße nicht mit den hinterlegten Korrelationsmaßen übereinstimmen, kann von einer Störung bzw. einer Fehlmessung des Durchflusssensors 1 ausgegangen werden, die entsprechend von der Regel- und Auswerteeinheit 10 signalisiert wird.
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Der erfindungsgemäße Aufbau eines Durchflusssensors 1 mit zwei unterschiedlichen Kanalquerschnitten A1, A2, bietet ferner die Möglichkeit, dass die Regel- und Auswerteeinheit 10 zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes 11 das erste Signal U1 und das zweite Signal U2 miteinander vergleicht und in dem Fall, dass das Signal U1 oder U2 des Heizelementes 6 oder 7, das sich in dem Bereich 4 oder 5 mit dem größeren Kanalquerschnitt A1 oder A2 befindet, größer ist als das Signal des Heizelementes 7 oder 6, das sich in dem Bereich 5 oder 4 mit dem kleineren Kanalquerschnitt A2 oder A1 befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors 1 detektiert. Die Fehlfunktion wird dann von der Regel- und Auswerteeinheit 10 wiederum entsprechend signalisiert.
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Alternativ kann die Regel- und Auswerteeinheit 10 zur Korrektur und/oder Überprüfung des ermittelten Volumenstromes 11 die beiden Signale U1, U2 derartig miteinander vergleichen, dass sie in dem Fall, dass das Signal U1 oder U2 des Heizelementes 6 oder 7, das sich in dem Bereich 4 oder 5 mit dem kleineren Kanalquerschnitt A1 oder A2 befindet, kleiner ist als das Signal U2 oder U1 des Heizelementes 7 oder 6, das sich in dem Bereich 5 oder 4 mit dem größeren Kanalquerschnitt A2 oder A1 befindet, eine Fehlfunktion des thermischen Durchflusssensors 1 detektiert und dies entsprechend signalisiert.
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2 zeigt beispielhaft mehrere schematische Darstellungen a)–c) von weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors 1.
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2a) zeigt eine Ausgestaltung, die das erste Heizelement 6 und die dazugehörigen Temperatursensoren 8a und 8b, auf der „Unterseite“ des ersten Bereiches 4 und das zweite Heizelement 7 und die dazugehörigen Temperatursensoren 9a und 9b des zweiten Bereiches 5 auf der „gegenüberliegenden“ Seite aufweist.
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2b) zeigt eine Ausgestaltung die auf jegliche Temperatursensoren verzichtet und bei der lediglich zwei Heizelement 6 und 7 vorgesehen sind. Von den beiden Heizelemente 6 und 7 ist das erste Heizelement 6 des ersten Bereiches 4 auf einer Kanalseite angeordnet und das zweite Heizelement 7, des zweiten Bereichs 5, auf der gegenüberliegenden Kanalseite.
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2c) zeigt eine Ausgestaltung bei der das erste Heizelement 6 und der dazugehörige Temperatursensor 8 auf gegenüberliegenden Kanalseiten des ersten Bereiches 4 angeordnet sind. Das gleiche gilt für das zweite Heizelement 7 und den dazugehörigen Temperatursensor 9 des zweiten Bereichs 5, wobei sich die beiden Heizelemente 6 und 7 wiederum gegenüberliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchflusssensor
- 2
- Kanal
- 3
- Medium
- 4
- Erster Bereich
- 5
- Zweiter Bereich
- 6
- Erstes Heizelement
- 7
- Zweites Heizelement
- 8
- Temperatursensor bzw. Temperatursensoren im ersten Bereich
- 9
- Temperatursensor bzw. Temperatursensoren im zweiten Bereich
- 10
- Regel- und Auswerteeinheit
- 11
- Volumenstroms
- 12
- Signal bzw. Signale für Temperatursensor(en) im ersten Bereich
- 13
- Signal bzw. Signale für Temperatursensor(en) im zweiten Bereich
- v ⇀1
- Strömungsgeschwindigkeit im ersten Bereich
- v ⇀2
- Strömungsgeschwindigkeit im zweiten Bereich
- A1
- Erster Kanalquerschnitt
- A2
- Zweiter Kanalquerschnitt
- U1
- Erstes Signal
- U2
- Zweites Signal
