DE102014012912B3

DE102014012912B3 - Calorimetric measuring method and device

Info

Publication number: DE102014012912B3
Application number: DE102014012912.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Volker Brandl; Stefan Wolf
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-09-06
Also published as: WO2016034161A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Dazu wird ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Das Medium wird mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt. Die Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es werden ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Ferner wird die Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements erfasst. Weiterhin wird auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium vorgeschlagen, welche eine Durchflussvorrichtung mit einem Medium, ein erstes Heizelement, ein zweites Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst.The invention relates to a method and a device for calorimetric measurement on a flowing medium. The process is characterized by a high measuring accuracy. For this purpose, a method with the following method steps is proposed. The medium is heated with a first heating element and with a second heating element. The heating powers of the first heating element and the second heating element are modulated between zero and a maximum heating power. The heating power of the first heating element is at a maximum at a time when the heating power of the second heating element is zero, and the heating power of the second heating element is at a maximum at another time when the heating power of the first heating element is zero. A first signal is generated in response to a first temperature of the medium at a position in front of the first and second heating elements. A second signal is generated in response to a second temperature of the medium at a position between the first heating element and the second heating element. A third signal is generated in response to a third temperature of the medium at a position after the first and second heating elements. A first difference signal between the second signal and the first signal and a second difference signal between the third signal and the second signal are detected. Furthermore, the heating power of the first and the second heating element is detected. Furthermore, a device for calorimetric measurement on a flowing medium is proposed which comprises a flow device with a medium, a first heating element, a second heating element, a control unit, a first temperature sensor, a second temperature sensor, a third temperature sensor and an evaluation unit.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium. Das Verfahren kann angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses eines Mediums. Das Verfahren kann auch angewendet werden zur Messung von Wärmemengen, die in ein strömendes Medium eingebracht werden. Die Erfindung ist für eine kontinuierliche Messung mit hoher Genauigkeit geeignet.The invention relates to a method and a device for calorimetric measurement on a flowing medium. The method can be used to determine the volume flow of a medium. The method can also be used to measure amounts of heat introduced into a flowing medium. The invention is suitable for continuous measurement with high accuracy.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums sind viele unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die auf verschiedenen physikalischen Phänomenen oder technischen Konzepten beruhen, wie beispielsweise Turbinen-Durchflusszähler oder Ovalradzähler, um nur einige verbreitete, auf mechanischen Effekten beruhende Messgeräte zu nennen. Durchflussmesser dieser Art sind empfindlich gegenüber Verschmutzungen im Medium. Verschmutzungen im Medium lassen sich auch mit Partikelfiltern nicht vollständig herausfiltern und führen so zusammen mit der mechanischen Abnutzung beweglicher Teile zu erhöhten Messfehlern und einer eingeschränkten Lebensdauer dieser Messgeräte.To measure the flow volume of a medium, many different methods and devices are known, based on various physical phenomena or technical concepts, such as turbine flow meters or oval wheel meters, to name but a few common mechanical effects based meters. Flowmeters of this type are sensitive to contamination in the medium. Contaminations in the medium can not be completely filtered out even with particle filters and, together with the mechanical wear of moving parts, lead to increased measuring errors and a limited service life of these measuring devices.

Zum Erzielen einer hohen Lebensdauer und Zuverlässigkeit ist die Verwendung von Messvorrichtungen günstig, die ohne bewegliche Teile auskommen. Zu dieser Kategorie gehören kalorimetrische Messungen, mit denen potentiell auch eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann.In order to achieve a long service life and reliability, the use of measuring devices that manage without moving parts is favorable. This category includes calorimetric measurements that can potentially achieve high accuracy.

Kalorimetrische Durchfluss-Messungen können unterschiedlich aufgebaut sein, je nachdem welche Parameter bekannt sind und welche Größen gemessen werden sollen. Das Grundprinzip ist dabei stets dasselbe. Eine Wärmemenge wird in ein strömendes Medium eingebracht und durch Temperaturmessungen wird der Durchfluss des Mediums bestimmt.Calorimetric flow measurements can be structured differently, depending on which parameters are known and which quantities are to be measured. The basic principle is always the same. A quantity of heat is introduced into a flowing medium and by temperature measurements, the flow of the medium is determined.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2012 112 314 A1 zeigt beispielsweise ein Thermisches Durchflussmessgerät, bei dem das Sensorelement selbst beheizbar ist. Bei dieser Ausführungsform einer kalorimetrischen Messung wird also der Sensor selbst und dadurch auch ein kleiner lokaler Bereich in einem Medium erwärmt. Der Wärmeverlust des Sensors in das Medium ist abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, so dass aus der Temperaturänderung des Sensors der Durchfluss ermittelt werden kann. Bei diesem Messprinzip ist allerdings die Temperaturänderung des Sensors unter anderem auch von der Wärmeleitfähigkeit des Mediums abhängig. Dieses Verfahren erfordert daher eine aufwändige Kalibration. Auch die Strömungsverteilung innerhalb des Messrohres hat einen Einfluss auf die Messung. Die WO 2007/063407 A2 offenbart daher ein ähnliches kalorimetrisches Durchflussmessgerät, bei dem zusätzlich Streifen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sind. Aus der DE 10 2013 006 397 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zwei Heizelemente in der unmittelbaren Nähe, aber in unterschiedlicher Entfernung, zu einem Temperaturfühler angeordnet sind, um so die Messung des Durchflusses mit einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des Mediums zu kombinieren. Zwar kann das zuletzt genannte Verfahren durch die zusätzliche Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit für eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Medien, insbesondere auch gasförmiger Medien, verwendet werden, dennoch muss auch bei diesem Verfahren eine aufwändige Kalibration erfolgen. Aus der Offenlegungsschrift DE 102 02 210 A1 ist ein Strömungssensor mit einem Heizelement und zwei nachgeordneten Temperatursensoren bekannt. Beide Temperatursensoren erfassen nacheinander ein vom Heizelement auf das strömende Medium übertragenes Wärmepaket. Der Massenstrom des Fluids kann dabei aus der Größe der Temperaturänderungen oder aus den Zeitpunkten der Temperaturänderungen bestimmt werden. Durch die Verwendung zweier Temperatursensoren werden eine Fehlererkennung und eine verfeinerte Funktionsprüfung ermöglicht. Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 002 598 A1 offenbart ein Flusssensorelement mit Abweichungskompensation. Das Flusssensorelement weist dort zwei getrennte und voneinander unabhängige thermische Flusssensoren auf, die jeweils ein Heizelement und mindestens ein temperaturempfindliches Element enthalten. Das zugehörige Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Heizimpulse abwechselnd an die beiden Heizelemente angelegt werden. Aus den flussabhängigen Signalen wird derart ein Ausgangssignal gebildet, dass die flussabhängigen Beiträge der flussabhängigen Signale entgegengesetzte Vorzeichen der Flussempfindlichkeit aufweisen. Das Verfahren ermöglicht eine Kompensation von Abweichungen, die durch Temperaturdrift und Langzeitdrift aufgrund zeitlicher Instabilität von Materialien des Sensors verursacht werden können.The publication DE 10 2012 112 314 A1 shows, for example, a thermal flow meter, in which the sensor element itself is heated. In this embodiment of a calorimetric measurement, therefore, the sensor itself and thereby also a small local area are heated in a medium. The heat loss of the sensor in the medium is dependent on the flow velocity of the medium, so that from the change in temperature of the sensor, the flow can be determined. With this measurement principle, however, the temperature change of the sensor is dependent, among other things, on the thermal conductivity of the medium. This method therefore requires a complex calibration. The flow distribution within the measuring tube also has an influence on the measurement. The WO 2007/063407 A2 discloses therefore a similar calorimetric flow meter, in which additional strips of a material with high thermal conductivity are provided. From the DE 10 2013 006 397 A1 For example, a method is known in which two heating elements are arranged in the immediate vicinity but at different distances to a temperature sensor so as to combine the measurement of the flow with a measurement of the thermal conductivity of the medium. Although the latter method can be used by the additional determination of the thermal conductivity for a variety of very different media, in particular also gaseous media, yet also in this method, a complex calibration must be done. From the publication DE 102 02 210 A1 a flow sensor with a heating element and two downstream temperature sensors is known. Both temperature sensors sequentially detect a transferred from the heating element to the flowing medium heat packet. The mass flow of the fluid can be determined from the magnitude of the temperature changes or from the time points of the temperature changes. The use of two temperature sensors enables fault detection and a refined functional test. The publication DE 10 2013 002 598 A1 discloses a flow sensor element with deviation compensation. There, the flow sensor element has two separate and independent thermal flow sensors, each containing a heating element and at least one temperature-sensitive element. The associated method is characterized in that heating pulses are applied alternately to the two heating elements. An output signal is formed from the flow-dependent signals in such a way that the flow-dependent contributions of the flow-dependent signals have opposite signs of the flow sensitivity. The method allows compensation for deviations caused by temperature drift and long term drift due to time instability of materials of the sensor.

Durch eine Kalibration wird die Genauigkeit einer Messung prinzipiell verringert, da zum einen der Messfehler der Kalibrationsmessung bei jeder Messung mit eingeht, und zum anderen auch das zum Vergleich herangezogene Normal eine endliche Genauigkeit aufweist.By a calibration, the accuracy of a measurement is in principle reduced because on the one hand, the measurement error of the calibration measurement is included in each measurement, and on the other hand, the normal used for comparison has a finite accuracy.

Kalorimetrische Messungen können auch so ausgelegt werden, dass die eingebrachte Wärmemenge vollständig in das Medium übertragen wird und die Änderung der Temperatur des Mediums somit direkt ein Maß für die aufgenommene Wärmemenge ist. Dazu wird die Temperaturänderung des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit des Mediums hat dabei zumindest im thermischen Gleichgewicht keinen Einfluss, nur noch die Wärmekapazität des Mediums spielt eine Rolle. Im thermischen Gleichgewicht sind daher die physikalischen Größen durch folgende einfache Relation miteinander verknüpft: P = ΔTc(T)ρ(T)dV/dt [Formel 1a] Calorimetric measurements can also be designed so that the amount of heat introduced is completely transferred into the medium and the change in the temperature of the medium is thus directly a measure of the amount of heat absorbed. For this purpose, the temperature change of the medium is determined before and after introduction of the amount of heat. The thermal conductivity of the medium has at least in thermal equilibrium no influence, only the heat capacity of the medium plays a role. In thermal equilibrium, therefore, the physical quantities are linked by the following simple relation: P = ΔTc (T) ρ (T) dV / dt [Formula 1a]

Dabei bedeuten:

P:: in das Medium eingebrachte Wärmemenge (Leistung)
ΔT:: Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach Einbringen der Wärmemenge
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums
ρ(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Mediums
dV/dt:: Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit

Where:

P:: amount of heat introduced into the medium (power)
.DELTA.T:: Temperature difference of the medium before and after introducing the amount of heat
c (T):: (temperature-dependent) specific heat capacity of the medium
ρ (T):: (temperature-dependent) density of the medium
dV / dt:: Volume flow of the medium per time

Eine mögliche Aufgabe der kalorimetrischen Messung kann darin bestehen, die eingebrachte Wärmemenge P zu bestimmen. Diese Wärmemenge kann auch negativ sein, wenn beispielsweise eine Kühlleistung bestimmt werden soll. Wenn die Wärmemenge P die gesuchte Größe ist, müssen alle anderen Größen in Formel 1a bekannt sein bzw. gemessen werden. Dazu ist in Vorrichtungen dieser Art zusätzlich ein Durchflussmessgerät zur Messung des Volumendurchflusses dV/dt vorgesehen, wobei zum Beispiel die oben erwähnten Turbinen-Durchflusszähler zum Einsatz kommen.A possible task of the calorimetric measurement may be to determine the amount of heat P introduced. This amount of heat can also be negative if, for example, a cooling capacity to be determined. If the heat quantity P is the desired quantity, all other quantities in formula 1a must be known or measured. For this purpose, a flow meter for measuring the volume flow rate dV / dt is additionally provided in devices of this type, wherein, for example, the turbine flow meters mentioned above are used.

Eine typisches Verfahren dieser Art zur Bestimmung einer Wärmemenge in einem strömenden Medium zeigt das US Patent Nr. 4,485,449 . In der dort offenbarten Vorrichtung werden die Signale eines Durchflusssensors, eines Eingangstemperatursensors und eines Ausgangstemperatursensors mittels eines elektrischen Schaltkreises verarbeitet. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus dem US Patent Nr. 4,773,023 bekannt. Das US Patent Nr. 5,156,459 offenbart die Verwendung eines solchen kalorimetrischen Verfahrens zur Messung der Leistung eines Laserstrahls.A typical method of this kind for determining an amount of heat in a flowing medium shows that U.S. Patent No. 4,485,449 , In the device disclosed therein, the signals of a flow sensor, an input temperature sensor and an output temperature sensor are processed by means of an electrical circuit. A similar device is from the U.S. Patent No. 4,773,023 known. The U.S. Patent No. 5,156,459 discloses the use of such a calorimetric method to measure the power of a laser beam.

Das Prinzip der kalorimetrischen Messung kann auch angewendet werden zur Bestimmung des Volumendurchflusses. In dem Fall beruht das Verfahren darauf, eine definierte, d. h. eine bekannte oder genau messbare, Wärmemenge in das strömende Medium einzubringen und die Temperaturdifferenz des Mediums vor und nach dem Einbringen der Wärmemenge zu messen. Das Einbringen der Wärmemenge in das Medium kann mittels eines elektrischen Heizelements oder einer Heizpatrone erfolgen, so dass die Heizleistung elektrisch gemessen werden kann. Bei der in der DE 102 21 548 A1 offenbarten Vorrichtung werden beispielsweise Peltier-Elemente zum Einbringen einer definierten Heiz- bzw. Kühlleistung in das strömende Medium vorgeschlagen.The principle of calorimetric measurement can also be used to determine the volume flow. In that case, the method is based on introducing a defined, ie a known or exactly measurable, amount of heat into the flowing medium and measuring the temperature difference of the medium before and after the introduction of the heat quantity. The introduction of the amount of heat in the medium can be done by means of an electric heating element or a heating cartridge, so that the heating power can be measured electrically. When in the DE 102 21 548 A1 disclosed device, for example, Peltier elements for introducing a defined heating or cooling capacity proposed in the flowing medium.

Aus der eingebrachten Wärmemenge und der Temperaturdifferenz ergibt sich der Volumendurchfluss durch Auflösen der Formel 1a nach diesem Parameter gemäß der folgenden Relation: dV/dt = P/[ΔTc(T)ρ(T)] [Formel 1b] From the amount of heat introduced and the temperature difference, the volume flow results by solving the formula 1a according to this parameter according to the following relation: dV / dt = P / [ΔTc (T) ρ (T)] [Formula 1b]

Die Messung der Heizleistung P und der Temperaturen ist grundsätzlich fehlerbehaftet und begrenzt die Messgenauigkeit. Insbesondere bei der Messung der Temperaturdifferenz ΔT des Mediums können Offset-Fehler problematisch sein, vor allem bei geringen Temperaturdifferenzen. Quelle solcher Offset-Fehler sind die Temperatursensoren selbst, aber weiterhin auch Komponenten der Signalverarbeitung wie Operationsverstärker und Analog-Digital-Wandler. Der Einfluss der Offset-Fehler ist umso größer, je geringer die zu messende Differenz ist.The measurement of the heating power P and the temperatures is fundamentally faulty and limits the measuring accuracy. In particular, when measuring the temperature difference .DELTA.T of the medium offset errors can be problematic, especially at low temperature differences. The source of such offset errors are the temperature sensors themselves, but also components of signal processing such as operational amplifiers and analog-to-digital converters. The influence of the offset errors is greater, the smaller the difference to be measured.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur kalorimetrischen Durchflussmessung weisen demnach Nachteile in Bezug auf die erreichbare Genauigkeit auf.The known from the prior art methods and apparatus for calorimetric flow measurement therefore have disadvantages in terms of achievable accuracy.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kalorimetrisches Messverfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zur Messung des Volumendurchflusses eines Mediums geeignet sind, eine besonders hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen und welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen hinsichtlich der Kalibration und der Genauigkeit vermeiden oder verringern.The object of the invention is to provide a calorimetric measuring method and a device which are suitable for measuring the volume flow of a medium, have particularly high measuring accuracy and reliability and which have the disadvantages of the methods and devices known from the prior art avoid or reduce the calibration and accuracy.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein kalorimetrisches Verfahren zur Messung an einem Medium vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Das Medium wird mit einem ersten Heizelement und mit einem zweiten Heizelement geheizt, wobei das Medium das erste Heizelement und das zweite Heizelement nacheinander durchströmt. Eine Heizleistung des ersten Heizelements und eine Heizleistung des zweiten Heizelements werden zwischen Null und einer maximalen Heizleistung moduliert. Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und die Heizleistung des zweiten Heizelements ist maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist. Es wird ein erstes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer ersten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein zweites Signal erzeugt in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur des Mediums an einer Position zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement. Es wird ein drittes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer dritten Temperatur des Mediums an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten und dem zweiten Heizelement. Es wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Es wird auch ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal erfasst. Ferner wird die Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.To achieve the object, a calorimetric method for measuring on a medium is proposed, which comprises the following method steps. The medium is heated with a first heating element and with a second heating element, wherein the medium flows through the first heating element and the second heating element in succession. A heating power of the first heating element and a heating power of the second heating element are modulated between zero and a maximum heating power. The heating power of the first heating element is at a maximum at a time when the heating power of the second heating element is zero, and the heating power of the second heating element is at a maximum at another time when the heating power of the first Heating element is zero. A first signal is generated as a function of a first temperature of the medium at a position in the flow direction of the medium in front of the first and the second heating element. A second signal is generated in response to a second temperature of the medium at a position between the first heating element and the second heating element. A third signal is generated in response to a third temperature of the medium at a position in the flow direction of the medium after the first and the second heating element. A first difference signal between the second signal and the first signal is detected. A second difference signal between the third signal and the second signal is also detected. Further, the heating power of the first and second heating elements is detected by measuring current and voltage across the heating elements.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.In the method according to the invention, the sum of the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element is constant over time.

Es wird auch ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums bestimmt wird, und bei dem aus der Summe der erfassten Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur und der ersten Temperatur des Mediums wird ein Quotient bestimmt wird.A method is also provided in which a temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium is determined from the detected difference signals, and in which the sum of the detected heating powers of the first and the second heating element and the temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium, a quotient is determined.

In einer möglichen Ausführungsform des Verfahrens werden die Heizleistung des ersten Heizelements und die Heizleistung des zweiten Heizelements periodisch moduliert.In one possible embodiment of the method, the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element are periodically modulated.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden.In a further embodiment of the method, the first heating element and the second heating element can be switched on and off alternately.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem zeitliche Verläufe der Heizleistungen des ersten und des zweiten Heizelements durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.An embodiment of the method is proposed in which time profiles of the heating powers of the first and second heating elements are controlled by pulse width modulation.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können das erste Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal und das zweite Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal vor dem Heizen des Mediums erfasst und gespeichert werden.In a further embodiment of the method, the first difference signal between the second signal and the first signal and the second difference signal between the third signal and the second signal can be detected and stored before the heating of the medium.

Die vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignale können zur Korrektur der Differenzsignale verwendet werden, die während des Heizens des Mediums erfasst werden.The differential signals sensed and stored prior to heating the medium may be used to correct for the differential signals detected during heating of the medium.

Aus den vor dem Heizen des Mediums erfassten und gespeicherten Differenzsignalen kann auch eine durch Druckverlust beim Strömen des Mediums erzeugte Wärmemenge bestimmt werden.From the differential signals detected and stored before heating the medium, it is also possible to determine a quantity of heat generated by the pressure loss during the flow of the medium.

Es ist auch ein Verfahren zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgesehen, bei dem die unbekannte Wärmemenge an das Medium abgegeben wird, und bei dem ein viertes Signal erzeugt wird in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge in das Medium.There is also provided a method of measuring an unknown amount of heat by delivering the unknown amount of heat to the medium and generating a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium after the unknown amount of heat has been released into the medium.

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch eine Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem strömenden Medium vorgeschlagen, welche eine Durchflussvorrichtung mit einem Medium, ein erstes Heizelement, ein zweites Heizelement, eine Steuereinheit, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, einen dritten Temperatursensor und eine Auswerteeinheit umfasst. Dabei sind das erste Heizelement und das zweite Heizelement zum Heizen des Mediums ausgebildet, und das erste Heizelement und das zweite Heizelement sind in Strömungsrichtung des Mediums nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Steuereinheit ist ausgebildet zur Modulation einer Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation einer Heizleistung des zweiten Heizelements. Der erste Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums vor dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung (20) angeordnet, der zweite Temperatursensor ist zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet, und der dritte Temperatursensor ist in Strömungsrichtung des Mediums nach dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement in der Durchflussvorrichtung angeordnet. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet zum Erfassen und Auswerten von Differenzsignalen zwischen den Temperatursensoren. Dabei ist die Auswerteeinheit ausgebildet, ein erstes Differenzsignal zwischen einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor und einem ersten Signal vom ersten Temperatursensor zu erfassen, und ein zweites Differenzsignal zwischen einem dritten Signal vom dritten Temperatursensor und einem zweiten Signal vom zweiten Temperatursensor zu erfassen. Die Auswerteeinheit ist weiterhin ausgebildet zum Erfassen der Heizleistung des ersten und des zweiten Heizelements durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen.To solve the problem, a device for calorimetric measurement on a flowing medium is proposed, which comprises a flow device with a medium, a first heating element, a second heating element, a control unit, a first temperature sensor, a second temperature sensor, a third temperature sensor and an evaluation unit , In this case, the first heating element and the second heating element are designed for heating the medium, and the first heating element and the second heating element are arranged one after the other in the flow direction of the medium in the flow device. The control unit is designed to modulate a heating power of the first heating element and to modulate a heating power of the second heating element. The first temperature sensor is in the flow direction of the medium before the first heating element and the second heating element in the flow device ( 20 ), the second temperature sensor is arranged between the first heating element and the second heating element in the flow device, and the third temperature sensor is arranged in the flow direction of the medium after the first heating element and the second heating element in the flow device. The evaluation unit is designed to detect and evaluate differential signals between the temperature sensors. In this case, the evaluation unit is designed to detect a first difference signal between a second signal from the second temperature sensor and a first signal from the first temperature sensor, and to detect a second difference signal between a third signal from the third temperature sensor and a second signal from the second temperature sensor. The evaluation unit is further configured to detect the heating power of the first and the second heating element by measuring current and voltage at the heating elements.

Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit zur Modulation der Heizleistung des ersten Heizelements und zur Modulation der Heizleistung des zweiten Heizelements jeweils zwischen Null und einer maximalen Heizleistung ausgebildet.According to the invention, the control unit is for modulating the heating power of the first heating element and for modulating the heating power of the second Heating element each formed between zero and a maximum heat output.

Dabei ist die Heizleistung des ersten Heizelements maximal an einem Zeitpunkt wenn die Heizleistung des zweiten Heizelements Null ist, und ist die Heizleistung des zweiten Heizelements maximal an einem anderen Zeitpunkt wenn die Heizleistung des ersten Heizelements Null ist.The heating power of the first heating element is at a maximum at a time when the heating power of the second heating element is zero, and the heating power of the second heating element is at a maximum at another time when the heating power of the first heating element is zero.

Erfindungsgemäß ist die Summe aus der Heizleistung des ersten Heizelements und der Heizleistung des zweiten Heizelements zeitlich konstant.According to the invention, the sum of the heating power of the first heating element and the heating power of the second heating element is constant over time.

Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, das erste Heizelement und das zweite Heizelement abwechselnd ein- und auszuschalten.The control unit may be configured to switch the first heating element and the second heating element alternately on and off.

Die Steuereinheit kann auch ausgestaltet sein zur Steuerung der Modulation der Heizleistungen des ersten Heizelements und des zweiten Heizelements mittels Pulsweitenmodulation.The control unit may also be designed to control the modulation of the heating powers of the first heating element and of the second heating element by means of pulse width modulation.

Es wird auch eine Vorrichtung zur Messung einer unbekannten Wärmemenge vorgeschlagen, mit einer Wärmequelle, die die unbekannte Wärmemenge in das Medium überträgt, und mit einem vierten Temperatursensor, der in Strömungsrichtung des Mediums nach der Wärmequelle angeordnet ist.A device is also proposed for measuring an unknown amount of heat, with a heat source that transfers the unknown amount of heat into the medium, and with a fourth temperature sensor, which is arranged in the flow direction of the medium after the heat source.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:The invention will be described in more detail with reference to the following figures, without being limited to the embodiments shown. It shows:

1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium. 1 : A schematic representation of the device according to the invention for calorimetric measurement on a medium.

2: Eine schematische Darstellung der Ansteuerung der zwei Heizelemente in einer Ausführungsform, bei der die Ein- und Ausschaltzeiten der beiden Heizelemente Pulsweiten-moduliert sind. In dem gezeigten Beispiel wird durch die Pulsweitenmodulation ein sinusförmiger Verlauf der Heizleistung bei beiden Heizelementen angenähert. 2 : A schematic representation of the control of the two heating elements in an embodiment in which the on and off times of the two heating elements are pulse width modulated. In the example shown, the pulse width modulation approximates a sinusoidal profile of the heating power in both heating elements.

3: Ein Diagramm zur Darstellung der gemessenen Amplitudenhöhe der Temperatursensoren über der Frequenz der Heizleistung bei einem exemplarischen Mediendurchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute). 3 : A graph showing the measured amplitude height of the temperature sensors versus the frequency of the heating power at an exemplary media flow of 5 l / min (liters per minute).

4: Eine schematische Darstellung eines beispielhaften Schaltkreises zur Versorgung und Erfassung der Signale der Temperatursensoren. 4 : A schematic representation of an exemplary circuit for supplying and detecting the signals of the temperature sensors.

5: Eine schematische Darstellung einer Anwendung der Durchfluss-Messvorrichtung nach 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die an das Medium abgegeben wird. 5 : A schematic representation of an application of the flow measuring device according to 1 for determining an amount of heat that is released to the medium.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Erfindung zur kalorimetrischen Messung an einem Medium 21. Dabei sind in einer Durchflussvorrichtung 20 ein erstes Heizelement 41, ein zweites Heizelement 42 und drei Temperatursensoren 31, 32, 33 angeordnet. Eine Steuereinheit 40 dient zur Ansteuerung der Heizelemente 41 und 42. Eine Auswerteeinheit 50 erfasst die Signale der drei Temperatursensoren 31, 32 und 33. 1 shows a possible embodiment of the invention for calorimetric measurement on a medium 21 , These are in a flow device 20 a first heating element 41 , a second heating element 42 and three temperature sensors 31 . 32 . 33 arranged. A control unit 40 serves to control the heating elements 41 and 42 , An evaluation unit 50 detects the signals of the three temperature sensors 31 . 32 and 33 ,

In 2 ist eine mögliche Ansteuerung der Heizelemente 41, 42 in einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 schematisch dargestellt. Die Heizleistung beider Heizelemente 41, 42 hat einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf, der in der 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Der sinusförmige Verlauf wird näherungsweise erzeugt durch eine Pulsweiten-modulierte Ansteuerung (durchgezogene Rechteck-Kurven) der Heizelemente 41, 42.In 2 is a possible control of the heating elements 41 . 42 in an embodiment of the invention according to 1 shown schematically. The heating power of both heating elements 41 . 42 has a sinusoidal time course, which in the 2 indicated by dashed lines. The sinusoidal profile is approximately generated by a pulse-width-modulated control (solid rectangle curves) of the heating elements 41 . 42 ,

3 zeigt exemplarisch ein Messergebnis der gemessenen Amplitudenhöhe der Signaldifferenz zwischen den Temperatursensoren im Medium vor und nach den Heizelementen 41, 42. Der Mediendurchfluss betrug dabei konstant 5 l/min (Liter pro Minute). Variiert wurde die Heizfreguenz der Heizelemente 41, 42, d. h. die Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Heizleistung der Heizelemente 41, 42. 3 shows by way of example a measurement result of the measured amplitude height of the signal difference between the temperature sensors in the medium before and after the heating elements 41 . 42 , The media flow was constant at 5 l / min (liters per minute). The heating frequency of the heating elements was varied 41 . 42 , ie the frequency of the sinusoidal profile of the heating power of the heating elements 41 . 42 ,

In 4 ist ein beispielhafter Sensorschaltkreis zur Beschaltung der Temperatursensoren 31, 32, 33 schematisch dargestellt. Als Temperatursensoren werden hier zum Beispiel Pt100 Platinwiderstände eingesetzt. In Reihe mit jedem Temperatursensor 31, 32, 33 ist jeweils ein Vorwiderstand R₁, R₂, R₃ geschaltet. Die Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor sind parallel geschaltet und werden von einer Referenzspannung U_Ref versorgt. An den Knotenpunkten zwischen Vorwiderständen und Temperatursensoren können die Signalspannungen der jeweiligen Temperatursensoren abgegriffen werden. Jeweils zwei Reihenschaltungen aus Vorwiderstand und Temperatursensor bilden eine Brückenschaltung, so dass zwischen den beiden Knotenpunkten direkt die Signaldifferenz zwischen zwei Temperatursensoren abgegriffen werden kann. Die Signaldifferenzen können dann mittels Operationsverstärker verstärkt werden und anschließend mittels AD-(Analog-Digital-)Wandler in diskrete Werte umgesetzt werden. Aus diesen Signaldifferenzen können die Temperaturdifferenzen bestimmt werden.In 4 is an exemplary sensor circuit for connecting the temperature sensors 31 . 32 . 33 shown schematically. For example, Pt100 platinum resistors are used as temperature sensors here. In line with each temperature sensor 31 . 32 . 33 is in each case a series resistor R ₁ , R ₂ , R ₃ connected. The series circuits consisting of series resistor and temperature sensor are connected in parallel and are supplied by a reference voltage U _Ref . At the junctions between series resistors and temperature sensors, the signal voltages of the respective temperature sensors can be tapped. Each two series circuits of series resistor and temperature sensor form a bridge circuit, so that between the two nodes directly the signal difference between two temperature sensors can be tapped. The signal differences can then be amplified by means of operational amplifiers and then converted into discrete values by means of AD (analog-to-digital) converters. From these signal differences, the temperature differences can be determined.

5 zeigt eine Anwendung der kalorimetrischen Messvorrichtung nach 1 zur Bestimmung einer Wärmemenge, die von einer Wärmequelle 45 an das Medium 21 abgegeben wird. Dazu ist nach der Wärmequelle 45 ein vierter Temperatursensor 34 angeordnet, der ein viertes Signal erzeugt in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Einbringen der Wärmemenge durch die Wärmequelle 45. 5 shows an application of the calorimetric measuring device according to 1 for determination a quantity of heat from a heat source 45 to the medium 21 is delivered. This is after the heat source 45 a fourth temperature sensor 34 arranged, which generates a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium 21 after introduction of the amount of heat by the heat source 45 ,

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte kalorimetrische Messverfahren eine geringe Messgenauigkeit aufweisen.It is intended to provide a solution to the problem that known from the prior art calorimetric measurement method have a low accuracy of measurement.

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, bei dem in einer kalorimetrischen Messung eine Wärmemenge an zwei Stellen nacheinander abwechselnd in das Medium eingebracht werden kann und dadurch eine kontinuierliche Nullpunkt- und Offset-Korrektur ermöglicht wird.To solve the problem, a method and an apparatus is provided, in which a calorimetric measurement, an amount of heat at two locations can be alternately introduced alternately into the medium and thereby a continuous zero and offset correction is made possible.

Gemäß der in 1 schematisch dargestellten Anordnung strömt ein Medium 21 durch eine Durchflussvorrichtung 20. Das Medium 21 wird mit einem ersten Heizelement 41 und mit einem zweiten Heizelement 42 geheizt. Die beiden Heizelemente 41, 42 sind nacheinander in der Durchflussvorrichtung angeordnet. An einer Position, die sich in Strömungsrichtung des Mediums 21 vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 befindet, wird ein erstes Signal in Abhängigkeit einer ersten Temperatur T₁ des Mediums 21 erzeugt. Dazu befindet sich vor dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ein erster Temperatursensor 31. Zwischen dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 ist ein zweiter Temperatursensor 32 angeordnet, mit dem ein zweites Signal in Abhängigkeit einer zweiten Temperatur T₂ des Mediums 21 zwischen dem Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt wird. Ein dritter Temperatursensor 33 ist in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 angeordnet. Mit dem dritten Temperatursensor 33 wird ein drittes Signal in Abhängigkeit einer dritten Temperatur T₃ des Mediums 21 nach dem ersten Heizelement 41 und dem zweiten Heizelement 42 erzeugt.According to the in 1 schematically illustrated arrangement flows a medium 21 through a flow device 20 , The medium 21 comes with a first heating element 41 and with a second heating element 42 heated. The two heating elements 41 . 42 are sequentially arranged in the flow device. At a position that is in the flow direction of the medium 21 before the first heating element 41 and the second heating element 42 is, a first signal in response to a first temperature T _{1 of} the medium 21 generated. This is in front of the first heating element 41 and the second heating element 42 a first temperature sensor 31 , Between the first heating element 41 and the second heating element 42 is a second temperature sensor 32 arranged, with which a second signal in response to a second temperature T _{2 of} the medium 21 between the heating element 41 and the second heating element 42 is produced. A third temperature sensor 33 is in the flow direction of the medium 21 after the first heating element 41 and the second heating element 42 arranged. With the third temperature sensor 33 becomes a third signal in response to a third temperature T _{3 of} the medium 21 after the first heating element 41 and the second heating element 42 generated.

Mit der Auswerteeinheit 50 wird ein erstes Differenzsignal zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal erfasst. Dieses erste Differenzsignal ist ein Maß fair die Temperaturdifferenz T₂ – T₁ des Mediums 21 vor und nach dem Heizelement 41. Ein zweites Differenzsignal zwischen dem dritten Signal und dem zweiten Signal wird mit der Auswerteeinheit 50 erfasst. Das zweite Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₃ – T₂ des Mediums 21 vor und nach dem zweiten Heizelement 42. Die Summe aus der Heizleistung P_H1 des Heizelements 41 und der Heizleistung P_H2 des zweiten Heizelements 42 wird erfasst durch Messung von Strom und Spannung an den Heizelementen 41, 42.With the evaluation unit 50 a first difference signal between the second signal and the first signal is detected. This first difference signal is a measure fair the temperature difference T ₂ - T _{1 of} the medium 21 before and after the heating element 41 , A second difference signal between the third signal and the second signal is sent to the evaluation unit 50 detected. The second difference signal is a measure of the temperature difference T ₃ -T _{2 of} the medium 21 before and after the second heating element 42 , The sum of the heating power P _{H1 of} the heating element 41 and the heating power P _{H2 of} the second heating element 42 is detected by measuring current and voltage at the heating elements 41 . 42 ,

In der Auswerteeinheit 50 wird aus den erfassten Differenzsignalen eine Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur T₃ und der ersten Temperatur T₁ bestimmt. Dies kann beispielsweise durch Addition des ersten Differenzsignals und des zweiten Differenzsignals erfolgen. Schließlich wird ein Quotient aus der Summe der Heizleistungen P_H1 und P_H2 der ersten und zweiten Heizelemente 41, 42 und der Temperaturdifferenz zwischen der dritten Temperatur T₃ und der ersten Temperatur T₁ bestimmt.In the evaluation unit 50 is determined from the detected difference signals, a temperature difference between the third temperature T ₃ and the first temperature T ₁ . This can be done for example by adding the first difference signal and the second difference signal. Finally, a quotient of the sum of the heating powers P _H1 and P _{H2 of} the first and second heating elements 41 . 42 and the temperature difference between the third temperature T ₃ and the first temperature T ₁ determined.

Dieser Quotient stellt gemäß der folgenden Relation (Formel 2a) den „wärmekapazitiven” Durchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt des Mediums 21 dar. Außerdem kann daraus in einfacher Weise der Volumendurchfluss des Mediums entsprechend der Formel 2b berechnet werden: c(T)ρ(T)dV/dt = (P_H1 + P_H2)/(T₃ – T₁) [Formel 2a] dV/dt = (P_H1 + P_H2)/[(T₃ – T₁)c(T)ρ(T)] [Formel 2b] This quotient sets the "heat-capacitive" flow c (T) ☐ρ (T) ☐dV / dt of the medium according to the following relation (formula 2a) 21 In addition, it can be calculated in a simple manner, the volume flow of the medium according to the formula 2b: c (T) ρ (T) dV / dt = (P _H1 + P _H2 ) / (T ₃ - T ₁ ) [Formula 2a] dV / dt = (P _H1 + P _H2 ) / [(T ₃ -T ₁ ) c (T) ρ (T)] [Formula 2b]

Dabei bedeuten:

P_H1:: Heizleistung des ersten Heizelements
P_H2:: Heizleistung des zweiten Heizelements
T₁:: Temperatur des Mediums vor den beiden Heizelementen
T₃:: Temperatur des Mediums nach den beiden Heizelementen
c(T):: (temperaturabhängige) spezifische Wärmekapazität des Mediums
ρ(T):: (temperaturabhängige) Dichte des Mediums
dV/dt:: Volumendurchfluss des Mediums pro Zeit

Where:

P _H1 :: Heating power of the first heating element
P _H2 :: Heating power of the second heating element
T ₁ :: Temperature of the medium in front of the two heating elements
T ₃ :: Temperature of the medium after the two heating elements
c (T):: (temperature-dependent) specific heat capacity of the medium
ρ (T):: (temperature-dependent) density of the medium
dV / dt:: Volume flow of the medium per time

Die Steuereinheit 40 moduliert die Heizleistungen des ersten Heizelements 41 und des zweiten Heizelements 42. Die Heizleistungen beider Heizelemente 41, 42 werden dadurch zwischen Null und einer maximalen Heizleistung geändert. Zu einem Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 maximal ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 Null. Zu einem anderen Zeitpunkt, wenn die Heizleistung des ersten Heizelements 41 Null ist, ist die Heizleistung des zweiten Heizelements 42 maximal.The control unit 40 modulates the heating powers of the first heating element 41 and the second heating element 42 , The heating capacities of both heating elements 41 . 42 are thereby changed between zero and a maximum heat output. At a time when the heating power of the first heating element 41 is maximum, the heating power of the second heating element 42 Zero. At another time, when the heating power of the first heating element 41 Zero is the heating power of the second heating element 42 maximum.

Aufgrund dieser Modulation der Heizleistung gibt es an beiden Heizelementen 41, 42 Zeitpunkte, an denen jeweils die an das Medium 21 abgegebene Wärmemenge Null ist. Zu diesen Zeitpunkten können daher Offset-Fehler, genauer: Differenzen von Offset-Fehlern, an den Signalen der jeweiligen Temperatursensoren 31, 32, bzw. 33 ermittelt werden und bei der Auswertung berücksichtigt werden. Da sich Offset-Fehler in der Signalverarbeitung zeitlich ändern (Drift), bietet die nach diesem Verfahren vorgesehene wiederholte bzw. periodische Erfassung der Offset-Fehler eine besonders hohe Genauigkeit. Eine periodische Erfassung ist dabei vollkommen ausreichend, da die Drift von Offset-Fehlern in der Regel eine langsame Änderung ist.Due to this modulation of the heating power, there are both heating elements 41 . 42 Timings to each of which to the medium 21 delivered amount of heat is zero. At these times, therefore, offset errors, more precisely: differences of offset errors, on the signals of the respective temperature sensors 31 . 32 , respectively. 33 be determined and taken into account in the evaluation. Since offset errors in the signal processing change over time (drift), the repetitive or periodic detection of the offset errors provided by this method offers particularly high accuracy. A periodic acquisition is completely sufficient, since the drift of offset errors is usually a slow change.

Durch eine zeitlich versetzte (phasenverschobene) Modulation der Heizleistungen an den beiden Heizelementen 41, 42 wird erreicht, dass permanent eine definierte Wärmemenge in das Medium 21 eingebracht wird. Dadurch wird eine kontinuierliche Messung des Durchflusses ermöglicht. Würde man hingegen nur ein Heizelement verwenden und dieses zur Erfassung von Offset-Fehlern modulieren, dann gäbe es bei der Messung des Durchflusses periodisch Totzeiten, nämlich immer dann, wenn die Heizleistung gerade Null ist.By a time-shifted (phase-shifted) modulation of the heating power at the two heating elements 41 . 42 is achieved that permanently a defined amount of heat in the medium 21 is introduced. This allows a continuous measurement of the flow. If, on the other hand, one were to use only one heating element and modulate it to detect offset errors, then there would be periodic dead times in the measurement of the flow, namely whenever the heating power is just zero.

Es ist vorgesehen, ein Verfahren zur Messung des Durchflussvolumens eines Mediums 21 in folgender Weise auszuführen. Beide Heizelemente 41, 42 durchlaufen einen Leistungsmodulationszyklus, d. h. die Heizleistung wird periodisch geändert. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Pulsweitenmodulation (PWM). Mittels der Pulsweiten-modulierten Ansteuerung wird die Heizleistung in Form einer Sinusfunktion verändert. Die Variation der Heizleistung erfolgt also mit der Frequenz der Sinusfunktion, die im Folgenden als Heizfrequenz bezeichnet wird. Die Pulsweiten-modulierte Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 ist schematisch in 2 dargestellt. Im Maximum der Ansteuerung wird das erste Heizelement 41 mit maximaler Leistung betrieben, während das zweite Heizelement 42 ausgeschaltet ist. Zum Zeitpunkt der Ansteuerung im Minimum (d. h. Heizleistung Null) am ersten Heizelement 41 ist die Heizleistung maximal am zweiten Heizelement 42.It is envisaged a method for measuring the flow volume of a medium 21 in the following way. Both heating elements 41 . 42 go through a power modulation cycle, ie the heating power is changed periodically. The control is effected by a pulse width modulation (PWM). By means of the pulse width modulated control, the heating power is changed in the form of a sine function. The variation of the heating power thus takes place at the frequency of the sine function, which is referred to below as the heating frequency. The pulse width modulated control of the two heating elements 41 . 42 is schematic in 2 shown. In the maximum of the drive becomes the first heating element 41 operated at maximum power while the second heating element 42 is off. At the time of activation in the minimum (ie heating power zero) on the first heating element 41 is the maximum heating power at the second heating element 42 ,

Die in das Medium 21 (beispielsweise Wasser) eingebrachte Heizleistung führt lokal zu einer Temperaturerhöhung, die mit der Fließgeschwindigkeit des Mediums 21 entlang der Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 transportiert wird. An den Messpunkten vor, zwischen und nach den Heizelementen 41, 42 befinden sich Pt100-Platinwiderstände als Temperatursensoren 31, 32, 33, welche die lokalen Temperaturen und deren Schwankungen im Medium 21 registrieren. Die Änderung eines jeden temperaturabhängigen Pt100-Widerstands aufgrund der Temperaturvariationen im Medium wird über eine Messbrücke in Form einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Pt100-Widerständen gemessen (Relativmessung). Über AD-(Apalog-Digital-)Wandler werden die analogen Spannungswerte digitalisiert; diese AD-Counts werden als Messwerte aufgezeichnet.The in the medium 21 (For example, water) introduced heating power leads locally to a temperature increase, with the flow rate of the medium 21 along the pipeline of the flow device 20 is transported. At the measuring points before, between and after the heating elements 41 . 42 Pt100 platinum resistors are used as temperature sensors 31 . 32 . 33 showing the local temperatures and their fluctuations in the medium 21 to register. The change of each temperature-dependent Pt100 resistor due to the temperature variations in the medium is measured via a measuring bridge in the form of a voltage difference between two Pt100 resistors (relative measurement). Via AD (Apalog-Digital) converters, the analog voltage values are digitized; these AD counts are recorded as readings.

Es ist vorgesehen, im analogen Schaltungsbereich die Spannungsdifferenz zwischen den Temperatursensoren 31, 32, 33 zu bilden bzw. zu erfassen. Dadurch werden die Offsetspannungen der Temperatursensoren eliminiert, die damit nicht digitalisiert werden müssen. Der mögliche Spannungshub von 1,25 V der AD-Wandler kann erheblich besser genutzt werden, indem die Differenzspannung zunächst mit rauscharmen Operationsverstärkern verstärkt wird, und anschließend die verstärkte Differenzspannung mittels AD-Wandler digitalisiert wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann dadurch verbessert werden. Operationsverstärker weisen jedoch eine gewisse Drift bzw. zeitliche Veränderung der Eingangs-Offsetspannungen auf, vereinfacht als Nullpunkt-Drift bezeichnet. Deshalb kann der Nullpunkt der Operationsverstärker regelmäßig nachkalibriert werden. Dies kann durch Abschalten der Heizelemente 41, 42 und Messung des Nullpunkts erfolgen.It is envisaged in the analog circuit area, the voltage difference between the temperature sensors 31 . 32 . 33 to form or capture. This eliminates the offset voltages of the temperature sensors that do not need to be digitized. The possible voltage swing of 1.25 V of the AD converter can be used much better by first amplifying the differential voltage with low-noise operational amplifiers, and then digitizing the amplified differential voltage using AD converters. The signal-to-noise ratio can thereby be improved. However, operational amplifiers have some drift in the input offset voltages, simply referred to as zero drift. Therefore, the zero point of the operational amplifier can be recalibrated regularly. This can be done by switching off the heating elements 41 . 42 and zero point measurement.

Exemplarisch wurde in einer Messvorrichtung ein Medien-Durchfluss von 5 l/min (Liter pro min) eingestellt. Dabei wurden Messungen bei verschiedenen Heizfrequenzen im Bereich von 0,001 Hz bis 10 Hz durchgeführt. Hieraus resultiert das in 3 gezeigte Bode-Diagramm, das die rechnerisch ermittelte Amplitudenhöhe (d. h. die Amplitudenhöhe der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) der Counts eines AD-Wandlers in Beziehung zur eingestellten Heizfrequenz setzt. Die Grenzfrequenz, d. h. der Übergang zwischen Potenzabhängigkeit und linearem Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Amplitudenhöhe und dem Logarithmus der Heizfrequenz, beträgt ungefähr 0,5 Hz. Bei mittleren Heizfrequenzen oberhalb der Grenzfrequenz wird das Verhältnis zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz in der doppelt-logarithmischen Darstellung ungefähr linear. Die Amplitudenhöhe fällt mit weiter steigender Frequenz deutlich schneller ab.As an example, a media flow of 5 l / min (liters per min) was set in a measuring device. Measurements were carried out at different heating frequencies in the range from 0.001 Hz to 10 Hz. This results in the 3 shown Bode diagram that sets the computationally determined amplitude level (ie, the amplitude height of the difference signals between the temperature sensors) of the counts of an AD converter in relation to the set heating frequency. The cut-off frequency, ie the transition between power dependence and the linear relationship between the logarithm of the amplitude height and the logarithm of the heating frequency, is approximately 0.5 Hz. At average heating frequencies above the cut-off frequency, the ratio between amplitude height and heating frequency becomes approximately linear in the double-logarithmic representation , The amplitude level drops significantly faster with increasing frequency.

Aus dem ermittelten Zusammenhang zwischen Amplitudenhöhe und Heizfrequenz können verschiedene Auswertungsmethoden für das erfindungsgemäße Messverfahren abgeleitet werden.From the determined relationship between amplitude height and heating frequency, various evaluation methods for the measuring method according to the invention can be derived.

Eine mögliche Form der Auswertung ist eine Amplituden-Methode. Dabei wird im niederfrequenten Bereich des dargestellten Bode-Diagramms bei einer fest eingestellten Heizfrequenz die Amplitudenhöhe betrachtet. Diese Amplitudenhöhe wird direkt einem fest eingestellten Medien-Durchfluss zugeordnet. Anhand mehrerer verschiedener Medien-Durchflüsse kann eine Kennlinie aufgenommen werden. Hier wurde eine 1/x (d. h. reziproke) Abhängigkeit der Amplitudenhöhe vom Medien-Durchfluss nachgewiesen.One possible form of evaluation is an amplitude method. In this case, the amplitude level is considered in the low-frequency range of the illustrated Bode diagram at a fixed heating frequency. This amplitude level is assigned directly to a fixed media flow. Based on several different media flows, a characteristic can be recorded. Here, a 1 / x (i.e., reciprocal) dependence of amplitude level on media flow was demonstrated.

Eine weitere mögliche Auswertung ist eine Phasendifferenz-(Δϕ-)Methode. Direkt oberhalb der Grenzfrequenz, d. h. bei Heizfrequenzen größer als die Grenzfrequenz, ist der Verlust an Amplitude noch vergleichsweise gering. Hier wird die Phasenverschiebung in einem Bereich von 0–90° relativ zur Phasenlage der Heizleistungs-Ansteuerungsfunktion gemessen. Die Phasenverschiebung ist hierbei umgekehrt proportional korreliert zur Durchflussgeschwindigkeit des Mediums in der Messstrecke bei definiertem Querschnitt der Rohrleitung. Another possible evaluation is a phase difference (Δφ) method. Directly above the cutoff frequency, ie at heating frequencies greater than the cutoff frequency, the loss of amplitude is still comparatively low. Here, the phase shift is measured in a range of 0-90 degrees relative to the phase position of the heater power drive function. The phase shift here is inversely proportional to the flow rate of the medium in the measuring section at a defined cross section of the pipeline.

Eine kontinuierliche Messung kann erfolgen durch Betrachtung und Auswertung der eingebrachten elektrischen Gesamt-Heizleistung in das Medium 21. Dabei wird eine konstante Heizleistung auf der Messstrecke aufrechterhalten und die gemessenen Amplituden (Amplituden der Differenzsignale zwischen den Temperatursensoren) hinter beiden Heizelementen 41, 42 werden addiert. Die kontinuierliche periodische Verlagerung der Anteile an der Gesamtheizleistung zwischen beiden Heizelementen 41, 42 ermöglicht den Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen zwischen den Heizwiderständen der beiden Heizelemente 41, 42. Das Einbringen einer konstanten Heizleistung in das Medium 21 resultiert über die Wärmekapazität des Mediums 21 in eine Temperaturerhöhung des Mediums 21.A continuous measurement can be carried out by viewing and evaluating the introduced total electrical heating power in the medium 21 , In this case, a constant heating power is maintained on the measuring section and the measured amplitudes (amplitudes of the difference signals between the temperature sensors) behind both heating elements 41 . 42 be added. The continuous periodic shift of the shares in the total heat output between the two heating elements 41 . 42 allows the compensation of production-related tolerances between the heating resistors of the two heating elements 41 . 42 , The introduction of a constant heating power in the medium 21 results from the heat capacity of the medium 21 in a temperature increase of the medium 21 ,

Weiterhin kann eine Kompensation von Temperaturschwankungen des Mediums 21 im Bereich des Medieneinlass 22 mittels Nullpunkt-Kalibrierung vorgenommen werden. Dazu werden die absoluten Temperaturschwankungen im Medieneinlauf gemessen. Mit einem mathematischen Modell wird die Amplitudenänderung kompensiert, die ausschließlich auf fluktuierende Temperaturänderungen im Medienkreislauf zurückzuführen ist.Furthermore, a compensation of temperature fluctuations of the medium 21 in the field of media intake 22 be made by zero calibration. For this, the absolute temperature fluctuations in the media inlet are measured. A mathematical model compensates for the change in amplitude due exclusively to fluctuating temperature changes in the media cycle.

Im Folgenden werden weitere mögliche Merkmale und Einzelheiten weiterer Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.In the following, further possible features and details of further embodiments of the invention will be described.

Die Durchflussvorrichtung 20 kann beispielsweise eine Rohrleitung sein, durch die das Medium 21 strömt. Das eine Ende der Durchflussvorrichtung 20 ist mit einem Medieneinlass 22 ausgestattet, am anderen Ende der Durchflussvorrichtung 20 befindet sich ein Medienauslass 23. Die Rohrleitung der Durchflussvorrichtung 20 kann in mehrere Abschnitte aufgeteilt sein.The flow device 20 may be, for example, a pipeline through which the medium 21 flows. The one end of the flow device 20 is with a media inlet 22 equipped, at the other end of the flow device 20 there is a media outlet 23 , The pipeline of the flow device 20 can be divided into several sections.

Die Durchflussvorrichtung 20 kann Bestandteil eines offenen oder eines geschlossenen Medienkreislaufs sein. Der Medienkreislauf kann beispielsweise ein Kühlkreislauf sein mit einem Kühlmittel als Medium 21. Als Kühlmittel bzw. Medium wird oftmals Wasser verwendet, zumindest als Grundbestandteil. Bei einem geschlossenen Medienkreislauf kann das Medium 21 nach dem Medienauslass 23 durch eine Pumpe und einen Wärmetauscher geführt werden und dann wieder dem Medieneinlass 22 zugeführt werden. Die Durchflussvorrichtung 20 kann auch in den Medienkreislauf eines externen Geräts eingeschaltet werden. In diesem Fall können sich Pumpe und Wärmetauscher im Medienkreislauf des externen Geräts befinden.The flow device 20 can be part of an open or a closed media cycle. The medium cycle may for example be a cooling circuit with a coolant as the medium 21 , Water is often used as the coolant or medium, at least as a basic component. In a closed medium cycle, the medium 21 after the media outlet 23 through a pump and a heat exchanger and then back to the media inlet 22 be supplied. The flow device 20 can also be turned on in the media circuit of an external device. In this case, the pump and heat exchanger may be in the media circuit of the external device.

Die Temperatursensoren 31, 32, 33 können temperaturempfindliche Widerstände wie zum Beispiel Platinwiderstände vom Typ Pt100 oder Pt1000 sein. Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Platinwiderständen. Es können auch beliebige andere Temperatursensoren wie beispielsweise Halbleiter-Temperaturfühler verwendet werden.The temperature sensors 31 . 32 . 33 may be temperature sensitive resistors such as Pt100 or Pt1000 platinum resistors. However, the invention is not limited to the use of platinum resistors. Any other temperature sensors, such as semiconductor temperature sensors, may also be used.

Es ist vorgesehen, dass die Heizelemente 41, 42 elektrisch betriebene Heizwiderstände beinhalten. Die momentane Heizleistung ergibt sich dann als Produkt der am Heizwiderstand anliegenden Spannung und dem durch den Heizwiderstand fließenden Strom. Als Heizelemente 41, 42 können zum Beispiel handelsübliche Heizpatronen zur Erwärmung von Wasser eingesetzt werden.It is envisaged that the heating elements 41 . 42 include electrically operated heating resistors. The instantaneous heat output then results as the product of the voltage applied to the heating resistor and the current flowing through the heating resistor. As heating elements 41 . 42 For example, commercial heating cartridges can be used to heat water.

Der zeitliche Verlauf der Heizleistung an den beiden Heizelementen 41, 42 kann sinusförmig sein. Es können auch andere periodische Funktionen zur Steuerung der Heizleistung verwendet werden, beispielsweise Dreieck-Funktionen, Rechteckfunktionen, Trapezfunktionen oder andere Funktionen ähnlicher Art.The time course of the heating power at the two heating elements 41 . 42 can be sinusoidal. Other periodic functions may be used to control the heating power, such as triangle functions, rectangular functions, keystone functions, or other similar functions.

Es ist vorgesehen, dass die Funktion, die den zeitlichen Verlauf der Heizleistung der Heizelemente 41, 42 abbildet, eine Funktion ist, die sich durch Invertieren und Phasenverschiebung in sich selbst überführen lasst. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei einer zeitlich versetzten Ansteuerung der beiden Heizelemente 41, 42 die Summe der Heizleistungen der beiden Heizelemente 41, 42 zeitlich konstant ist. Ist der zeitliche Verlauf der Heizleistung beispielsweise sinusförmig, dann wird durch eine um 180° verschobene Heizleistung am zweiten Heizelement 42 gegenüber dem ersten Heizelement 41 eine zeitlich konstante Summe der Heizleistungen erreicht.It is envisaged that the function, the time history of the heating power of the heating elements 41 . 42 is a function that can be converted into itself by inverting and phase shifting. In this way it can be achieved that at a staggered control of the two heating elements 41 . 42 the sum of the heating powers of the two heating elements 41 . 42 is constant in time. If the temporal course of the heating power is, for example, sinusoidal, then the heating power is shifted by 180 ° at the second heating element 42 opposite the first heating element 41 achieved a constant time sum of heating capacities.

Wenn die Heizelemente 41, 42 mit einer symmetrischen sinusförmigen elektrischen Spannung oder einem symmetrischen sinusförmigen Strom betrieben werden, dann ist zum Erzielen einer konstanten Summe oder Heizleistung eine Phasenverschiebung um 90° zwischen der Spannung (bzw. Strom) am ersten Heizelement 41 und der Spannung (bzw. Strom) am zweiten Heizelement 42 erforderlich.When the heating elements 41 . 42 are operated with a symmetrical sinusoidal electrical voltage or a symmetrical sinusoidal current, then to achieve a constant sum or heating power is a phase shift of 90 ° between the voltage (or current) on the first heating element 41 and the voltage (or current) at the second heating element 42 required.

Es ist vorgesehen, den zeitlichen Verlauf der Heizleistung des ersten Heizelements 41 und der Heizleistung des zweiten Heizelements 42 mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren zu steuern. Die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation (PWM-Taktfrequenz) kann wesentlich höher sein als die Frequenz des durch die Pulsweitenmodulation modulierten Verlaufs der Heizleistungen der Heizelemente 41, 42 (Heiz-Frequenz). Die PWM-Taktfrequenz kann beispielsweise im Bereich 1 kHz bis 100 kHz liegen. Die Heiz-Frequenz kann beispielsweise im Bereich 0,001 Hz bis 10 Hz liegen.It is provided, the time course of the heating power of the first heating element 41 and the heating power of the second heating element 42 to control with a pulse width modulation method. The clock frequency of the pulse width modulation (PWM clock frequency) may be much higher than the frequency of the modulated by the pulse width modulation curve of the heating power of the heating elements 41 . 42 (Heating rate). The PWM clock frequency can be in the range 1 kHz to 100 kHz, for example. The heating frequency can be, for example, in the range 0.001 Hz to 10 Hz.

Die Steuereinheit 40 kann mit einem Umschalter ausgestattet sein, mit dem eine konstante elektrische Spannung oder ein konstanter Strom zwischen den beiden Heizelementen 41, 42 hin und her geschaltet werden kann. Der Umschalter kann aus Halbleiterbauelementen wie beispielsweise Transistoren, Thyristoren, Triacs, FETs, MOSFETs oder IGBTs bestehen. Der Umschalter kann durch Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden.The control unit 40 can be equipped with a switch, with which a constant electrical voltage or a constant current between the two heating elements 41 . 42 can be switched back and forth. The switch may consist of semiconductor devices such as transistors, thyristors, triacs, FETs, MOSFETs or IGBTs. The switch can be controlled by pulse width modulation (PWM).

Die Umschaltfunktion zwischen den Heizelementen 41, 42 kann den Vorteil haben, dass zur Erfassung der Heizleistung eine elektrische Leistungsmessung eingesetzt werden kann, die mit einer geringen Geschwindigkeit bzw. mit einer niedrigen Erfassungsrate auskommt, da die Gesamtleistung zu jedem Zeitpunkt konstant ist. Ebenso ist die Gesamtspannung als auch der Gesamtstrom konstant. Der Stromfluss wird dabei während des Umschaltens höchstens für wenige 10 ns unterbrochen. Der Umschaltvorgang selbst kann mit LC-Gliedern gedämpft werden, sodass er keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.The switching function between the heating elements 41 . 42 may have the advantage that for the detection of the heating power, an electrical power measurement can be used, which manages with a low speed or with a low detection rate, since the total power is constant at any time. Likewise, the total voltage as well as the total current is constant. The current flow is interrupted during switching at most for a few 10 ns. The switching process itself can be damped with LC elements so that it has no influence on the measurement result.

Die Umschaltfunktion kann auch den Vorteil haben, dass darauf verzichtet werden kann, für jeden Zweig (d. h. für jedes der beiden Heizelemente 41, 42) eine separate Leistungsmessung einzusetzen. Würde für jeden Zweig eine eigene Leistungsmessung eingesetzt werden, dann müssten diese Leistungsmessungen zum einen auch mit Scheitelwertfaktoren (bzw. Crest-Faktoren) umgehen können. Die dazu benötigten Schaltkreise sind aufwändiger und dadurch kostenintensiver und weisen eine geringere Genauigkeit auf. Zum anderen müssten diese Leistungsmessungen dann auch deutlich schneller als die PWM-Taktfrequenz abtasten. Dies hätte wiederum einen nachteiligen Einfluss auf die Auflösung. Die höchsten Auflösungen erreicht man zurzeit bei Abtastfrequenzen von 6 Hz (200 nV Rauschen). Aufgrund der thermischen Geschwindigkeit der Temperatursensoren kann es erforderlich sein, dass die PWM-Taktfrequenz im Bereich von 100 Hz oder auch im Bereich von 1 kHz liegt. Die Abtastfrequenz für die Leistungsmessung müsste dann in diesem Fall bei mindestens 10 kHz liegen.The switching function may also have the advantage that it can be dispensed with for each branch (ie for each of the two heating elements 41 . 42 ) use a separate power measurement. If a separate power measurement were to be used for each branch, then these power measurements would have to be able to handle peak factors (or crest factors) on the one hand. The circuits required for this purpose are more complex and therefore more expensive and have a lower accuracy. On the other hand, these power measurements would then have to sample much faster than the PWM clock frequency. This in turn would have a detrimental effect on the resolution. The highest resolutions are currently achieved at sampling frequencies of 6 Hz (200 nV noise). Due to the thermal speed of the temperature sensors, it may be necessary for the PWM clock frequency to be in the range of 100 Hz or even in the range of 1 kHz. The sampling frequency for the power measurement would then have to be at least 10 kHz in this case.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen somit die nachfolgend benannten Vorteile auf:

• Es werden keine beweglichen mechanischen Bauteile in der Durchflussvorrichtung verwendet. Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und eine hohe Zuverlässigkeit des Verfahrens.
• Der Volumendurchfluss des Mediums kann kontinuierlich, d. h. ohne Unterbrechungen ermittelt werden.
• Die Nullpunkt- und Offset-Korrektur erfolgt quasikontinuierlich; das Verfahren bietet daher eine besonders hohe Messgenauigkeit.
• Das Verfahren bestimmt in erster Linie den „wärmekapazitiven” Volumendurchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt eines Mediums und ist daher besonders geeignet für die Verwendung in Vorrichtungen zur hochgenauen Messung von in ein Medium eingebrachten unbekannten Wärmemengen.

The method according to the invention and the device according to the invention thus have the following advantages:

• No moving mechanical components are used in the flow device. This results in a long life of the device and a high reliability of the process.
• The volume flow of the medium can be determined continuously, ie without interruptions.
• The zero point and offset correction is carried out quasi-continuously; the method therefore offers a particularly high measuring accuracy.
The method primarily determines the "heat-capacitive" volume flow c (T) ☐ρ (T) ☐dV / dt of a medium and is therefore particularly suitable for use in devices for high-precision measurement of unknown amounts of heat introduced into a medium.

5 zeigt eine mögliche Anwendung des kalorimetrischen Messverfahrens zur Bestimmung einer unbekannten Wärmemenge P, die in das Medium 21 eingebracht wird. Dazu wird von einer Wärmequelle 45 eine Wärmemenge P an das Medium 21 abgegeben. Die Wärmequelle 45 kann in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet werden an einer Position in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach dem dritten Temperatursensor 33. Ein vierter Temperatursensor 34 kann in Strömungsrichtung des Mediums 21 nach der Wärmequelle 45 in der Durchflussvorrichtung 20 angeordnet sein. Der vierte Temperatursensor 45 erzeugt ein viertes Signal in Abhängigkeit einer vierten Temperatur des Mediums 21 nach Abgabe der unbekannten Wärmemenge P an das Medium 21. Ein drittes Differenzsignal zwischen dem vierten Signal und dem dritten Signal kann von der Auswerteeinheit 50 erfasst werden. Das dritte Differenzsignal ist ein Maß für die Temperaturdifferenz T₄ – T₃ des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45. 5 shows a possible application of calorimetric measurement method for determining an unknown amount of heat P, which in the medium 21 is introduced. This is done by a heat source 45 an amount of heat P to the medium 21 issued. The heat source 45 can in the flow device 20 be arranged at a position in the flow direction of the medium 21 after the third temperature sensor 33 , A fourth temperature sensor 34 can in the flow direction of the medium 21 after the heat source 45 in the flow device 20 be arranged. The fourth temperature sensor 45 generates a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium 21 after delivery of the unknown amount of heat P to the medium 21 , A third difference signal between the fourth signal and the third signal may be from the evaluation unit 50 be recorded. The third difference signal is a measure of the temperature difference T ₄ -T _{3 of} the medium 21 before and after the heat source 45 ,

Die unbekannte Wärmemenge P steht entsprechend der folgenden Relation über den „wärmekapazitiven” Durchfluss c(T)☐ρ(T)☐dV/dt des Mediums 21 in Relation zur Temperaturdifferenz T₄ – T₃ des Mediums 21 vor und nach der Wärmequelle 45: P = (T₄ – T₃)c(T)ρ(T)dV/dt [Formel 3] The unknown amount of heat P is in accordance with the following relation over the "heat-capacitive" flow c (T) ☐ρ (T) □ dV / dt of the medium 21 in relation to the temperature difference T ₄ -T _{3 of} the medium 21 before and after the heat source 45 : P = (T ₄ -T ₃ ) c (T) ρ (T) dV / dt [Formula 3]

Aus Formel 3 in Verbindung mit Formel 2a ergibt sich die unbekannte Wärmemenge P gemäß der folgenden Relation: P = (P_H1 + P_H2)(T₄ – T₃)/(T₃ – T₁) [Formel 4] From formula 3 in conjunction with formula 2a results in the unknown amount of heat P according to the following relation: P = (P _H1 + P _H2 ) (T ₄ -T ₃ ) / (T ₃ -T ₁ ) [Formula 4]

Aus Formel 4 ist ersichtlich, dass es in diesem Fall besonders günstig ist, dass das erfindungsgemäße kalorimetrische Verfahren geeignet ist zur Messung des „wärmekapazitiven” Durchflusses c(T)☐ρ(T)☐dV/dt eines Mediums und nicht lediglich der Volumendurchfluss dV/dt bestimmt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die physikalischen Parameter des Mediums wie die Dichte und die Wärmekapazität zur Bestimmung der unbekannten Wärmemenge P nicht benötigt. Schwankungen in der Zusammensetzung des Mediums beispielsweise haben damit keinen Einfluss auf das Messergebnis. Dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht.From formula 4 it can be seen that in this case it is particularly favorable that the calorimetric method according to the invention is suitable for measuring the "heat-capacitive" flow c (T) □ρ (T) □ dV / dt of a medium and not just the volume flow dV / dt is determined. In the method according to the invention, the physical parameters of the medium such as the density and the heat capacity for determining the unknown amount of heat P are not needed. Fluctuations in the composition of the medium, for example, thus have no influence on the measurement result. As a result, a high accuracy of measurement is achieved.

Bei dieser und ähnlichen möglichen Anwendungen des kalorimetrischen Verfahrens wird gewissermaßen eine kontinuierliche Kalibration durchgeführt, indem die unbekannte Wärmemenge mit der über die Heizelemente 41, 42 in das Medium 21 eingebrachte bekannte Wärmemenge über die gemessenen Temperaturdifferenzen direkt ins Verhältnis gesetzt wird.In this and similar possible applications of the calorimetric process, so to speak, a continuous calibration is performed by the unknown amount of heat with the over the heating elements 41 . 42 into the medium 21 introduced known amount of heat is set directly on the measured temperature differences in proportion.

Die Wärmequelle 45 kann beispielsweise ein Absorber sein, der von dem Medium 21 durchströmt wird. Der Absorber kann einen Energiestrahl absorbieren und dadurch die Leistung des Energiestrahls in eine Wärmemenge umsetzen, die dann vom Absorber an das Medium 21 abgegeben wird. Das derart ausgestaltete Verfahren kann somit zur Messung der Leistung eines Energiestrahls verwendet werden. Der Energiestrahl kann zum Beispiel ein Laserstrahl sein.The heat source 45 For example, an absorber may be that of the medium 21 is flowed through. The absorber can absorb an energy beam and thereby convert the power of the energy beam into an amount of heat, which then from the absorber to the medium 21 is delivered. The thus configured method can thus be used to measure the power of an energy beam. The energy beam may be, for example, a laser beam.

Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiterhin durch eine geeignete Wahl der Heizleistung optimiert werden. Dies wird nachfolgend durch Dimensionierungsbeispiele erläutert.The accuracy of the method can be further optimized by a suitable choice of heating power. This will be explained below by dimensioning examples.

Um eine möglichst hohe Messgenauigkeit zu erzielen, ist es günstig, wenn die Temperaturdifferenzen möglichst hoch sind. Andererseits darf die Temperatur des Mediums 21 nicht zu groß werden. Bei einem auf Wasser basierenden Medium sollte die Temperatur des Mediums 21 am Medienauslass 23 deutlich unter 100°C liegen. Die Temperatur des Mediums 21 am Medieneinlass 22 liegt meist im Bereich der Umgebungstemperatur, also typischerweise um 25°C. Daher sollten die größten auftretenden Temperaturdifferenzen im Medium 21 nicht größer sein als einige 10 K (Kelvin).In order to achieve the highest possible measuring accuracy, it is favorable if the temperature differences are as high as possible. On the other hand, the temperature of the medium may 21 do not get too big. For a water-based medium, the temperature of the medium should be 21 at the media outlet 23 well below 100 ° C. The temperature of the medium 21 at the media inlet 22 is usually in the range of ambient temperature, so typically around 25 ° C. Therefore, the largest occurring temperature differences in the medium 21 not larger than some 10 K (Kelvin).

Bei einer Messung relativ geringer unbekannter Wärmemengen kann es günstig sein, wenn die Heizleistung etwa im Bereich der zu messenden unbekannten Wärmemenge liegt oder darüber. Bei der Messung hoher Wärmemengen hingegen würde dies zu unpraktikabel hohen Heizleistungen und einem sehr hohen Stromverbrauch führen.When measuring relatively small amounts of unknown heat, it may be advantageous if the heating power is approximately in the range of the unknown amount of heat to be measured or above. When measuring high amounts of heat, however, this would lead to impractical high heating capacities and a very high power consumption.

Die Heizleistung kann beispielsweise im Bereich von bis zu 100 W liegen.The heating power can be in the range of up to 100 W, for example.

Wenn eine unbekannte Wärmemenge in der Größenordnung von etwa 1000 W gemessen werden soll, dann ist dazu ein Mediendurchfluss von mindestens etwa 0,5 l/min (Liter pro Minute) erforderlich. Die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle 45 würde dann bei Verwendung von Wasser als Medium etwa 30 K betragen. Im Hinblick auf eine Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und der Dichte des Mediums 21 kann es sinnvoll sein, einen höheren Mediendurchfluss zu wählen, damit die Temperaturdifferenz geringer ist. Bei einem Mediendurchfluss von 5 l/min (Liter pro Minute) und einer zu messenden Wärmemenge in der Größenordnung von 1000 W beträgt die Temperaturdifferenz vor und nach der Wärmequelle etwa 3 K. Bei einer Heizleistung von 100 W ergibt sich damit eine Temperaturdifferenz von etwa 0,3 K vor und nach den Heizelementen 41, 42. Bei Verwendung von Platinwiderständen als Temperatursensoren 31, 32, 33 (und ggfs. 34) und einer geeigneten Rausch- und Offset-armen Signalverarbeitung bzw. einer Signalwandlung mit hoher Auflösung (z. B. mit 24 bit Auflösung) liegt die Messunsicherheit der Temperatur im Bereich von etwa 100 μK oder noch weniger. Damit ergibt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit für das Verfahren, mit einem Messfehler, der etwa in der Größenordnung von 0,1% oder darunter liegt.If an unknown amount of heat, on the order of about 1000 W, is to be measured, then a media flow of at least about 0.5 l / min (liters per minute) is required. The temperature difference before and after the heat source 45 would then be about 30 K when using water as a medium. With regard to a temperature dependence of the heat capacity and the density of the medium 21 it may make sense to choose a higher media flow, so that the temperature difference is lower. At a medium flow rate of 5 l / min (liters per minute) and an amount of heat to be measured in the order of 1000 W, the temperature difference before and after the heat source is about 3 K. With a heat output of 100 W, this results in a temperature difference of about 0 , 3 K before and after the heating elements 41 . 42 , When using platinum resistors as temperature sensors 31 . 32 . 33 (and if necessary. 34 ) and a suitable noise and offset-poor signal processing or signal conversion with high resolution (eg with 24-bit resolution), the measurement uncertainty of the temperature is in the range of about 100 μK or even less. This results in a very high measurement accuracy for the process, with a measurement error that is about the order of 0.1% or less.

Es ist auch vorgesehen, die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 bei der kalorimetrischen Messung zu berücksichtigen. Dazu kann eine Funktion für die Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität und/oder der Dichte des Mediums 21 (beispielsweise von Wasser) in einem Speicher der Auswerteeinheit 50 hinterlegt werden. Die gemessenen Temperaturdifferenzen können verwendet werden, um eine Stützstelle für die Funktion der Wärmekapazität zu finden. Die Wärmekapazität üblicher Medien wie zum Beispiel von Wasser variiert nicht unerheblich mit der Temperatur. Mit der Berücksichtigung dieser Temperaturabhängigkeit kann daher die Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht werden.It is also provided, the temperature dependence of the heat capacity and / or the density of the medium 21 to be taken into account in the calorimetric measurement. For this purpose, a function for the temperature dependence of the heat capacity and / or the density of the medium 21 (For example, of water) in a memory of the evaluation 50 be deposited. The measured temperature differences can be used to find a support point for the heat capacity function. The heat capacity of conventional media such as water varies significantly with temperature. With the consideration of this temperature dependence, therefore, the accuracy of the method can be further increased.

Der Volumendurchfluss des Mediums 21 kann auch näherungsweise bestimmt werden aus der thermischen Dissipation einer Wärmemenge, die durch den Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 durch die Durchflussvorrichtung 20 bzw. beim Strömen durch Rohrleitungsabschnitte der Durchflussvorrichtung 20 erzeugt wird. Der Druckverlust beim Strömen erzeugt Wärme, die direkt gemessen werden kann. Dazu können vor dem Heizen des Mediums 21, d. h. bevor die Heizelemente 41, 42 eingeschaltet werden, die Differenzsignale der Temperatursensoren erfasst und gespeichert werden. Daraus kann die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge bestimmt werden. Diese Druckverlust-Wärmemenge bzw. durch Strömung erzeugte Abwärme kann sich bei hohen Medien-Durchflüssen in einer Größenordnung von bis zu 30 W–100 W (Watt) befinden.The volume flow of the medium 21 can also be determined approximately from the thermal dissipation of an amount of heat caused by the pressure loss during flow of the medium 21 through the flow device 20 or when flowing through pipe sections of the flow device 20 is produced. The pressure loss during flow generates heat that can be measured directly. This can be done before heating the medium 21 ie before the heating elements 41 . 42 are turned on, the differential signals of the temperature sensors are detected and stored. This can be due to pressure loss during flow of the medium 21 amount of heat generated can be determined. This pressure loss heat quantity or waste heat generated by flow can be on the order of up to 30 W-100 W (watts) at high media flow rates.

Es ist daher auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine ermittelte Wärmemenge um die durch Druckverlust beim Strömen des Mediums 21 erzeugte Wärmemenge korrigiert wird.It is therefore also a method provided in which a determined amount of heat to the by pressure loss during the flow of the medium 21 amount of heat is corrected.

Mit der Bestimmung der Druckverlust-Wärmemenge kann man auch vor dem ersten Einschalten der Heizelemente 41, 42 prüfen, ob überhaupt ein Medien-Durchfluss vorhanden ist. Dies ist zumindest ein Indikator, da es auch passieren könnte, dass kein Medium 21 in der Durchflussvorrichtung 20 vorhanden ist und nur die gleiche Lufttemperatur gemessen wird.With the determination of the pressure loss heat quantity can be also before the first switching on the heating elements 41 . 42 Check if there is any media flow at all. This is at least an indicator, as it could happen that no medium 21 in the flow device 20 is present and only the same air temperature is measured.

Um zu erkennen, ob die Rohrleitungen der Durchflussvorrichtung 20 mit einem Medium 21 gefüllt sind und das Medium 21 strömt, ist es vorgesehen, einen kurzen Heiz-Puls auf die Heizelemente 41, 42 zu geben und zu registrieren, ob die Temperatur des Mediums 21 sich wie erwartet verändert.To detect if the piping of the flow device 20 with a medium 21 are filled and the medium 21 flows, it is provided a short heating pulse on the heating elements 41 . 42 to give and register, whether the temperature of the medium 21 changed as expected.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 50 ein Warnsignal ausgibt, wenn der ermittelte Volumendurchfluss des Mediums 21 einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet und somit die Gefahr der Überhitzung des Mediums 21 oder eines Teils der Durchflussvorrichtung 20 besteht. Das Warnsignal kann ein elektrisches Signal sein, ein akustisches Signal, ein optisches Signal oder das Öffnen eines Schalters. Ein Warnsignal im Form des Öffnens eines Schalters kann verwendet werden, um einen Sicherheitsschaltkreis (sogenannter Interlock) eines externen Geräts auszulösen.It can also be provided that the evaluation unit 50 emits a warning signal if the determined volume flow of the medium 21 a predetermined threshold below and thus the risk of overheating of the medium 21 or part of the flow device 20 consists. The warning signal can be an electrical signal, an acoustic signal, an optical signal or the opening of a switch. A warning signal in the form of opening a switch can be used to trigger a safety circuit (so-called interlock) of an external device.

Es ist weiterhin vorgesehen, dass die maximale Heizleistung der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Die Heizleistung kann beispielsweise so angepasst werden, dass die Temperaturdifferenz vor und nach den Heizelementen 41, 42 vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 K (Kelvin) bis 10 K liegt.It is further envisaged that the maximum heating power of the heating elements 41 . 42 can be adapted to the current conditions of the measurement. The heating power can for example be adjusted so that the temperature difference before and after the heating elements 41 . 42 preferably in a range of 0.1 K (Kelvin) to 10 K.

Die Heizleistung der Heizelemente 41, 42 kann auch angepasst werden in Abhängigkeit des Mediendurchflusses.The heating power of the heating elements 41 . 42 can also be adjusted depending on the media flow.

Es ist ein einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass die Heizfrequenz der Heizelemente 41, 42 an die aktuellen Bedingungen der Messung angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Heizfrequenz in Abhängigkeit des Mediendurchflusses verändert werden.It is a further embodiment of the invention also provided that the heating frequency of the heating elements 41 . 42 can be adapted to the current conditions of the measurement. For example, the heating frequency can be changed depending on the media flow.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

2020: DurchflussvorrichtungFlow device
2121: Mediummedium
2222: Medieneinlassmedia inlet
2323: Medienauslassmedia outlet
3131: Erster TemperatursensorFirst temperature sensor
3232: Zweiter TemperatursensorSecond temperature sensor
3333: Dritter TemperatursensorThird temperature sensor
3434: Vierter TemperatursensorFourth temperature sensor
4040: Steuereinheitcontrol unit
4141: Erstes HeizelementFirst heating element
4242: Zweites HeizelementSecond heating element
4545: Wärmequelleheat source
5050: Auswerteeinheitevaluation

Claims

Method for calorimetric measurement on a flowing medium ( 21 ), comprising the method steps: • heating the medium ( 21 ) with a first heating element ( 41 ) and with a second heating element ( 42 ), the medium ( 21 ) the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 flows through one after the other, • modulating a heat output of the first heating element ( 41 ) and a heating power of the second heating element ( 42 ) between zero and a maximum heating power, wherein the heating power of the first heating element ( 41 ) is maximum at a time when the heating power of the second heating element ( 42 ) Is zero, and wherein the heating power of the second heating element ( 42 ) is maximum at another time when the heating power of the first heating element ( 41 ) Is zero, and wherein the sum of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the heating power of the second heating element ( 42 ) is constant in time, • generating a first signal as a function of a first temperature of the medium ( 21 ) at a position in the flow direction of the medium ( 21 ) in front of the first and second heating elements ( 41 . 42 ), Generating a second signal as a function of a second temperature of the medium ( 21 ) at a position between the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ), Generating a third signal as a function of a third temperature of the medium ( 21 ) at a position in the flow direction of the medium ( 21 ) after the first and the second heating element ( 41 . 42 ), • detecting a first difference signal between the second signal and the first signal, • detecting a second difference signal between the third signal and the second signal, and • detecting the heating power of the first and the second heating element ( 41 . 42 ) by measuring current and voltage across the heating elements ( 41 . 42 ).

The method of claim 1, further comprising the steps of: Determining a temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium ( 21 ) from the detected difference signals, and • determining a quotient of the sum of the detected heating powers of the first and the second heating element ( 41 . 42 ) and the temperature difference between the third temperature and the first temperature of the medium ( 21 ).

Method according to claim 1 or 2, wherein the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) are alternately turned on and off.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein temporal profiles of the heating powers of the first and the second heating element ( 41 . 42 ) are controlled by pulse width modulation.

Method according to one of claims 1 to 4, wherein the time profile of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) can be represented by a function which can be converted into itself by inverting and phase shifting.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein the time course of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) are sinusoidal, and wherein the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) by 180 ° with respect to the time course of the heating power of the first heating element ( 41 ) is shifted

Method according to one of claims 1 to 6, wherein prior to heating the medium ( 21 ) the first difference signal between the second signal and the first signal and the second difference signal between the third signal and the second signal are detected and stored.

Method according to claim 7, wherein the prior to heating the medium ( 21 ) are used to correct the difference signals that occur during the heating of the medium ( 21 ).

A method according to claim 7 or 8, wherein from the prior to heating the medium ( 21 ) detected and stored differential signals by a pressure loss during the flow of the medium ( 21 ) amount of heat generated is determined.

Method according to one of claims 1 to 9 for measuring an unknown amount of heat, which is to the medium ( 21 ), wherein a fourth signal in response to a fourth temperature of the medium ( 21 ) after release of the unknown amount of heat into the medium ( 21 ) is produced.

Device for calorimetric measurement on a flowing medium ( 21 ), comprising • a flow device ( 20 ) with a medium ( 21 ), • a first heating element ( 41 ) and a second heating element ( 42 ), wherein the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) for heating the medium ( 21 ) are formed and in the flow direction of the medium ( 21 ) are arranged successively in the flow device, 40 ), which is used to modulate a heating power of the first heating element ( 41 ) and for modulating a heating power of the second heating element ( 42 ) is formed, wherein the control unit ( 40 ) is further configured, the heating power of the first heating element ( 41 ) and the heating power of the second heating element ( 42 ) in each case between zero and a maximum heating power, wherein the heating power of the first heating element ( 41 ) is maximum at a time when the heating power of the second heating element ( 42 ) Is zero, and wherein the heating power of the second heating element ( 42 ) is maximum at another time when the heating power of the first heating element ( 41 ) Is zero, and wherein the sum of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the heating power of the second heating element ( 42 ) is constant over time, • a first temperature sensor ( 31 ), which in the flow direction of the medium ( 21 ) in front of the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) in the flow device ( 20 ), a second temperature sensor ( 32 ), between the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) in the flow device ( 20 ), a third temperature sensor ( 33 ), which in the flow direction of the medium ( 21 ) after the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) in the flow device ( 20 ), and • an evaluation unit ( 50 ), which is designed to detect and evaluate difference signals between the temperature sensors ( 31 . 32 . 33 ), wherein the evaluation unit is formed, a first difference signal between a second signal from the second temperature sensor ( 32 ) and a first signal from the first temperature sensor ( 31 ) and a second difference signal between a third signal from the third temperature sensor ( 33 ) and a second signal from the second temperature sensor ( 32 ), and • wherein the evaluation unit ( 50 ) is adapted to detect the heating power of the first and the second heating element ( 41 . 42 ) by measuring current and voltage across the heating elements ( 41 . 42 ).

Apparatus according to claim 11, wherein the control unit ( 40 ), the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) alternately on and off.

Device according to one of claims 11 or 12, wherein the control unit ( 40 ), the modulation of the heating powers of the first heating element ( 41 ) and the second heating element ( 42 ) by pulse width modulation.

Device according to one of claims 11 to 13, wherein the time course of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) are represented by a function which can be converted into itself by inverting and phase shifting.

Device according to one of claims 11 to 14, wherein the time course of the heating power of the first heating element ( 41 ) and the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) are sinusoidal, and wherein the time course of the heating power of the second heating element ( 42 ) by 180 ° with respect to the time course of the heating power of the first heating element ( 41 ) is shifted.

Device according to one of claims 11 to 15 for measuring an unknown amount of heat, further comprising a heat source ( 45 ), which is designed to transfer the unknown amount of heat into the medium ( 21 ), and a fourth temperature sensor ( 34 ), which in the flow direction of the medium ( 21 ) after the heat source ( 45 ) is arranged.