DE102014114848A1

DE102014114848A1 - Thermisches Durchflussmessgerät, Verfahren zur Driftüberwachung eines thermischen Durchflussmessgerätes und Verfahren zur Bestimmung der Strömungsrichtung

Info

Publication number: DE102014114848A1
Application number: DE102014114848.7A
Authority: DE
Inventors: Panagiotis Papathanasiou; Stephan Gaberthüel; Axel Pfau
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Thermisches Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr bzw. einem Rohrabschnitt mit einem Sensor, welcher zumindest zwei Sensorelemente umfasst, wobei ein Sensorelement ein erstes Heizelement erfasst und ein zweites Sensorelement ein zweites Heizelement und einen Temperatursensor umfasst; sowie ein Verfahren zur Überwachung eines thermischen Durchflussmessgerätes und ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsrichtung, sowie ein Verfahren zur Drifterkennung.

Description

Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Driftüberwachung eines thermischen Durchflussmessgerätes und ein Verfahren zur Strömungsrichtungserkennung.
Thermische Durchflussmessgeräte werden seit Jahrzehnten im Bereich der Prozessmesstechnik eingesetzt. Das Messprinzip ist dem Fachmann allgemein bekannt. Ein Aufbau eines thermischen Durchflussmessgerätes wird in der EP 2282179 B1 vorgestellt. Hierbei weist der Sensor des Durchflussmessgerätes zwei Stifthülsen, sogenannte prongs auf, in welchen endständig zumindest ein Temperatursensor und eine Heizeinrichtung angeordnet sind. Sofern es sich um beheizbare Widerstandsthermometer handelt, so kann es sich bei dem Temperatursensor und der Heizeinrichtung um wesensgleiche Elemente handeln, wobei jedoch eines, der sogenannte Heizer, beheizt wird und das andere als unbeheizter Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur betrieben wird. Dieser Sensor hat sich bislang im Einsatz hervorragend bewährt.
Bei speziellen Anwendungen im Kontakt mit aggressiven Medien oder im Langzeitbetrieb von mehreren Jahren kann es jedoch zu einem sogenannten Drift des Sensors kommen. Ein solcher Drift ist eine unerwünsche Änderung des Wärmewiderstandes des Sensors bei ansonsten konstanten Strömungsbedingungen des Mediums. Teilweise kann er durch Gegenmaßnahmen behoben werden, sofern er erkannt wird. Der Drift kann gegebenenfalls auch nur gering sein, so dass die Messungenauigkeit geringfügig erhöht wird. Es kann sich allerdings auch um einen großen Drift handeln, der ggf. einen Austausch des Gerätes oder zumindest des Sensors oder einzelner Sensorelemente nötig macht.
Ein weiteres vom Drift unabhängiges Problem ist die Detektion der Strömungsrichtung im Messrohr. Hier gibt es beispielsweise im Bereich der Dünnschichtsensoren einige Möglichkeiten der Detektion. Diese Sensoren unterscheiden sich allerdings stark von dem Sensor, wie er in der EP 2282179 B1 beschrieben wird. Die Prozessmesstechnik stellt teilweise hohe Anforderungen an die Robustheit der Sensoren. Entsprechend sollten die Sensoren für den Langzeitbetrieb bei unterschiedlichen Prozessbedingungen robust ausgelegt sein.
Die DE 102007023840 A1 beschreibt ein thermisches Durchflussmessgerät. Hierbei wird vorgeschlagen zumindest ein Paar aus zwei beheizbaren Widerstandsthermometer so zu betreiben, dass jeweils ein Thermometer beheizt wird und das andere die Mediumstemperatur ermittelt. Wie in der Messanordnung der 5 erkennbar ist das jeweilige beheizbare Widerstandsthermometer in einer Hülse angeordnet um es vor äußeren Einflüssen zuverlässig zu schützen. Ein jeweiliges Sensorelement der DE 10 2007023840 A1 umfasst somit stets eine Hülse mit jeweils entweder nur einem Widerstandsthermometer. In 3 können auch mehrere dieser Sensorelemente in Strömungsrichtung neben- und hintereinander angeordnet sein. Die DE 102007023840 A1 schlägt zudem vor, eine Strömungsrichtungserkennung vorzunehmen. Dies kann ist in der DE 102007023840 A1 jedoch aufgrund der Abschirmung der Hülsen ausschließlich durch thermische Konvektion möglich. Diese ist jedoch nur bei geringen Durchflüssen detektierbar. Daher ist die Strömungsrichtungserkennung bei diesem Sensortyp nur auf einige spezielle Anwendungen mit niedrigen Durchflussraten begrenzt.
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik setzt die Erfindung bei einer ersten Aufgabe an, ein Durchflussmessgerät zur Verfügung zu stellen, welches Zusatzfunktionalitäten, insbesondere Driftüberwachung und Strömungsrichtungserkennung, ermöglicht und welches einfach herstellbar ist.
Darüber hinaus ist es eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Strömungsrichtungserkennung bereitzustellen.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens zur Driftüberwachung.
Vorzugsweise sollten die zweite und dritte Aufgabe durch ein- und denselben Sensor gelöst werden.
Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannte erste Aufgabe durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannte zweite Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Die vorliegende Erfindung löst die vorgenannte dritte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr bzw. einem Rohrabschnitt mit einem Sensor, umfasst zumindest zwei Sensorelemente. Das erste Sensorelement weist eine Hülse auf, in welcher zumindest eine erste Heizeinrichtung, vorzugsweise ein erstes beheizbares Widerstandsthermometer, angeordnet ist. Das zweite Sensorelement weist eine Hülse auf, in welcher ein erster Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet ist. Das erste und das zweite Sensorelement sind voneinander beabstandet und die Mittelpunkte der Sensorelemente definieren eine Verbindungslinie, welche einen Winkel von mehr als 45°, vorzugsweise mehr als 70°, besonders bevorzugt einen Winkel von 90° ± 5° zu einer Geraden, die parallel zu einer Rohrachse des Rohrs bzw. des Rohrabschnitts verläuft, einnehmen. Idealerweise sollte die Verbindungslinie senkrecht zu der besagten Gerade stehen. Ein geringer Versatz der Sensorelemente beeinflusst allerdings die Messung kaum. Zudem soll ein Versatz z.B. durch eine außermittige oder asymmetrische Anordnung des Heizelements oder eines des Temperatursensors oder durch unterschiedlichen Hülsengeometrien der Sensorelemente ein entsprechend umgestalteter Sensor ebenfalls durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung erfasst werden. Der Sensor weist zumindest eine zweite Heizeinrichtung auf insbesondere ein zweites beheizbares Widerstandsthermometer. Die zweite Heizeinrichtung ist in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Temperatursensor angeordnet. Im Gegensatz zur Anordnung der DE 102007023840 A1 ist die zweite Heizeinrichtung Teil des zweiten Sensorelements und gemeinsam mit dem ersten Temperatursensor in der Hülse des zweiten Sensorelements angeordnet.
Üblicherweise werden die Hülsen eines jedes Sensorelements einzeln mit einem Sensorgrundkörper verschweißt, was produktionstechnisch aufwendig ist. Der Sensor des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes kann mit weniger Sensorelementen als bei der DE 102007023840 A1 realisiert werden, wodurch der Sensor einfacher herstellbar ist.
Ein Durchflussmessgerät besteht üblicherweise zumindest aus einem sogenannten Messaufnehmer, auch Sensor genannt, und einem sogenannten Messumwandler, dem Transmitter. Beide Bauteile sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Weise hinreichend bekannt.
Das Rohr bzw. der Rohrabschnitt sollte idealerweise ein gerades Rohrsegment sein. Dieses kann Teil einer Anlage sein. Es gibt Einsteckvarianten von thermischen Durchflussmessgeräten, bei welchen ein Teil des Sensors oder der gesamte Sensor in das Rohr durch eine Öffnung eingesteckt wird. Es ist jedoch auch möglich ein Messrohr bereitzustellen, in welchem das Durchflussmessgerät bereits montiert vorliegt und welcher durch Flansche in eine Anlage integrierbar ist. Auch das Messrohr ist in diesem Zusammenhang als Rohr bzw. Rohrabschnitt zu verstehen.
Mittels eines thermischen Durchflussmessgerätes lässt sich u.a. die Durchflussgeschwindigkeit und/oder der Massedurchfluss bestimmen. Es lassen sich auch eine Reihe anderer durchflussbezogener Größen bestimmen, welche in einer Beziehung, proportional oder dergleichen, zur Durchflussgeschwindigkeit oder dem Massedurchfluss sind. Teilweise ist zur Berechnung dieser Größen weiteres Wissen über das Messmedium, z.B. dessen Dichte usw. notwendig.
Eine Stirnfläche im Sinne der Erfindung ist die Grundfläche eines Zylinders, hier einer zylindrischen Hülse und nicht die Mantelfläche. Der Zylinder muss keinen kreisrunden Querschnitt haben. Es sind auch Prismen als Zylinder im Sinne der Erfindung zu verstehen oder Zylinder mit ovalem Querschnitt.
Bei einem Temperatursensor kann es sich um einen nicht-beheizbaren oder um beheizbaren Temperatursensor handeln.
Die Strömungsrichtung des Mediums ist im Sinne der Erfindung makroskopisch zu verstehen. Partiell auftretende Strömungsverwirbelungen oder andere partielle Richtungsänderungen, die z.B. durch den vorhergegangenen Rohrverlauf oder durch Störkörper in der Strömung hervorgerufen werden werden, sind nicht als Strömungsrichtung zu definieren. Vielmehr wird die Strömungsrichtung durch den Verlauf des geraden Rohrabschnittes definiert und verläuft somit im Wesentlichen parallel zur Rohrachse.
Als Mediumstemperatur ist vorzugsweise die Temperatur des Messmediums zu verstehen, welche nicht künstlich durch einen zusätzlichen Wärmeeintrag der Heizeinrichtung des Sensors erhöht wurde.
Die Hülsen der Sensorelemente der vorliegenden Erfindung sind insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall, insbesondere aus Edelstahl.
Die zweite Heizeinrichtung muss nicht zwingend auf einer achsparallelen Gerade mit dem Temperatursensor angeordnet sein, sondern kann leicht versetzt sein. Es ist allerdings von Vorteil, wenn die zweite Heizeinrichtung derart vor oder hinter dem Temperatursensor angeordnet ist, dass sowohl die zweite Heizeinrichtung als auch der erste Temperatursensor auf derselben achsparallel zur Rohrachse verlaufenden Gerade angeordnet sind. Damit ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Mediumstemperatur des gleichen Strömungsanteils des Strömungsquerschnitts durch den Temperatursensor ermittelt wird, in welchen auch der Wärmeeintrag durch das zweite Heizelement erfolgt.
Ein vorteilhafter Abstand zwischen dem ersten Temperatursensor und der zweiten Heizeinrichtung beträgt weniger als 1 cm, vorzugsweise weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,3 mm.
Die Hülse in welcher der erste Temperatursensor und die zweite Heizeinrichtung angeordnet ist, ist vorteilhaft röhrchenförmig ausgebildet und einen ovalen Querschnitt auf. Dies ist z.B. gegenüber einem rchteckigen Querschnitt von Vorteil, da Strömungsverwirbelungen verhindert werden und die Strömung weniger gestört wird. Der Sensor kann stabförmig ausgebildet sein und die Sensorelemente an einem distalen Ende aufweisen. Der Sensor ragt dabei vorzugsweise radial von der Rohrwandung in das Rohr bzw. den Rohrabschnitt hinein.
Der Begriff röhrchenförmig ist im Sinne der Erfindung nicht auf hohlzylindrische Röhrchen beschränkt, sondern es können, sofern nicht speziell gefordert, auch Röhrchen mit ovalem oder eckigem Querschnitt gemeint sein.
Ein Heizelement im Sinne der Erfindung liefert einen Wärmeeintrag in das Medium. Es kann vorzugsweise als ein beheizbarer Temperatursensor ausgebildet sein. Es sind unterschiedliche Heizelemente im Bereich der thermischen Durchflussmessung bekannt. Besonders bevorzugt kann es sich jedoch um ein beheizbares Widerstandsthermometer handeln, wie z.B. um einen Pt100 oder Pt1000. Das Heizelement heizt vorzugsweise intervallartig und bestimmt in den Intervallpausen die Temperatur. Das Heizelement wird vorzugsweise kontinuierlich über den gesamten Messbetrieb betrieben.
Es ist von Vorteil, wenn der Temperatursensor und/oder die jeweilige Heizeinrichtung so in einem Endbereich der Hülse angeordnet ist, dass die Wärmeübertragung pro Flächeneinheit vom Medium zum Temperatursensor und/oder vom Heizelement zum Medium überwiegend entlang einer endständigen Stirnfläche der Hülse erfolgt. Dies kann z.B. dadurch durch direkten Kontakt mit der Hülsenwandung mit dem Temperatursensor und/oder dem Heizelement an der der Stirnfläche komplementären inneren Oberfläche der Hülse erfolgen oder durch eine wärmeleitende Schicht oder ein wärmeleitendes Element, welche oder welches zwischen dem Heizelement oder dem Temperatursensor und der vorgenannten Oberfläche der Hülsenwandung angeordnet ist. Ein solches Element kann z.B. eine Kupferbrücke sein.
In einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des Sensors ist es von Vorteil, wenn der Sensor einen zweiten Temperatursensor aufweist, wobei dieser zweite Temperatursensor derart angeordnet ist, dass die zweite Heizeinrichtung in Strömungsrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor angeordnet ist.
Diese Anordnung ermöglicht besonders vorteilhaft eine Strömungsrichtungserkennung. Der in Strömungsrichtung vordere Temperatursensor ermittelt die Mediumstemperatur und der in Strömungsrichtung hintere Temperatursensor ermittelt eine gegenüber der Mediumstemperatur leicht erhöhte Temperatur, aufgrund des Wärmeeintrags des Heizers. Die ermittelte erhöhte Temperatur kann durch das Medium selbst hervorgerufen sein oder durch eine Wärmeleitung der Wandung der Hülse. Dadurch kann bei einer Strömungsrichtungserkennung zusätzlich zur thermischen Konvektion auch die Wärmeleitung, auch Wärmediffusion oder Konduktion genannt, genutzt durch die Wandung der Hülse werden, wodurch auch eine Strömungsrichtungserkennung auch bei höheren Durchflüssen möglich wird.
Es ist dabei insbesondere von Vorteil, wenn der Abstand des ersten Temperatursensors zur zweiten Heizeinrichtung ebenso groß ist wie der Abstand des zweiten Temperatursensors zur zweiten Heizeinrichtung.
Idealerweise sind daher bei dieser Ausführungsvariante die beiden Temperatursensoren und das zweite Heizelement in einem Sensorelement und in einer Hülse angeordnet.
Es ist zudem vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Temperatursensor und die zweite Heizeinrichtung derart zueinander angeordnet sind, dass sie auf derselben achsparallel zur Rohrachse verlaufenden Gerade angeordnet sind.
Es ist von Vorteil, wenn der erste und der zweite Temperatursensor, sowie die zweite Heizeinrichtung in der Hülse des zweiten Sensorelements angeordnet sind. Dadurch wird eine kompakte Bauweise ermöglicht, die zudem kostengünstig herstellbar ist.
Es ist zudem von Vorteil, wenn der Abstand des ersten Temperatursensors zur zweiten Heizeinrichtung ebenso groß ist wie der Abstand des zweiten Temperatursensors zur zweiten Heizeinrichtung. Dadurch kann ein direkter Vergleich ermöglicht werden.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsvariante weist der Sensor einen zweiten Temperatursensor auf, welcher in Strömungsrichtung vor der ersten Heizeinrichtung angeordnet ist, sofern der erste Temperatursensor hinter der zweiten Heizeinrichtung oder welcher in Strömungsrichtung hinter der ersten Heizeinrichtung angeordnet ist, sofern der erste Temperatursensor vor der zweiten Heizeinrichtung angeordnet ist.
Es ist von Vorteil, wenn der zweite Temperatursensor und die erste Heizeinrichtung derart zueinander angeordnet sind, dass sie auf derselben achsparallel zur Rohrachse verlaufenden Gerade angeordnet sind.
Es ist von Vorteil, wenn der zweite Temperatursensor, sowie die erste Heizeinrichtung in der Hülse des ersten Sensorelements angeordnet sind. In dieser Ausführungsvariante sind die Hülsen der Sensorelemente vorzugsweise gleich groß dimensioniert. Die Hülsen können insbesondere alle in dem gleichen Herstellverfahren produziert werden und anschließend in paarweise entgegengesetzter Ausrichtung zur Strömungsrichtung an einem Sensorgrundkörper angeschweißt oder angelötet oder in sonstiger Weise festgelegt werden.
Es ist von Vorteil, wenn der Abstand des ersten Temperatursensors zur zweiten Heizeinrichtung ebenso groß ist wie der Abstand des zweiten Temperatursensors zur ersten Heizeinrichtung. Durch ist ein direkter Vergleich der Leistungskoeffizienten der beiden Sensorelemente möglich.
Der Sensor weist vorteilhafterweise ein drittes Sensorelement mit einer Hülse, insbesondere einer Stifthülse, auf, in welcher ein weiterer Temperatursensor angeordnet ist zur Bestimmung der Mediumstemperatur.
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zur Überwachung eines thermischen Durchflussmessgerätes, insbesondere eines Durchflussmessgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die folgenden Schritte auf:

A) Ermittlung eines Leistungskoeffizienten einer ersten Heizeinrichtung eines Sensors;
B) Ermittlung eines Leistungskoeffizienten einer zweiten Heizeinrichtung des Sensors;
C) Ermittlung eines Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder einer davon abhängigen Größe anhand zumindest eines der beiden Leistungskoeffizienten; und
D) Überwachung hinsichtlich eines Driftes des thermischen Durchflussmessgerätes anhand der Leistungskoeffizienten aus Schritt A) und B) und des Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder der davon abhängigen Größe aus Schritt C).

Der Drift ist als eine Änderung des Wärmewiderstandes des Sensors. Dieser führt zu einem Wechsel des Wärmeübergangs vom Heizelement in das Medium bei gleichen bzw. konstanten Strömungsbedingungen. Als Ergebnis ermittelt das Durchflussmessgerät einen anderen Wert für den Leistungskoeffizienten. Das Vorliegen oder Nichtvorliegen dieses Drifts ist durch das erfindungsgemäße Durchflussmessgerät überprüfbar und kann besonders bevorzugt auch quantifiziert werden.
Der Drift kann quantifiziert werden oder lediglich überwacht werden, ob ein Drift vorliegt und ob dieser so hoch ist, um das Messergebnis wesentlich zu verfälschen.
Eine Driftüberwachung ermöglicht Aussagen, ob das Durchflussmessgerät überhaupt eine Messabweichung, einen Drift, aufweist. Sofern dies der Fall ist, kann im Rahmen der Überwachung vorzugsweise auch eine quantitative Auswertung erfolgen. Es kann jedoch auch lediglich eine qualitative Aussage, dass der Sensor nunmehr nicht mehr unter optimalen Messbedingungen arbeitet.
Ein Leistungskoeffizient wird in Watt/Kelvin (W/K) angegeben. Der Leistungskoeffizient in der vorliegenden Erfindung gibt an, wie viel Leistung (in Watt) benötigt wird um eine Temperaturdifferenz von 1K zwischen der Heizeinrichtung und der Mediumstemperatur bei einer spezifischen Strömungsgeschwindigkeit, einem spezifischem Durchfluss, einer spezifischen Reynoldszahl oder einer darauf rückführbaren Größe aufrecht zu erhalten.
Der Wärmewiderstand des Sensors, also der Drift, kann beim Durchflussmessgerät insbesondere in einen inneren Wärmewiderstand und einen äußeren Wärmewiderstand unterteilt werden. Der innere Wärmewiderstand hängt u.a. von einzelne Sensorbauteile innerhalb des Sensors, z.B. innerhalb der Hülsen ab. So kann ein Drift auf Fehlstellen bei Lötanbindungen aufgrund von Zugbelastungen durch Materialausdehnung oder dergleichen zurückgeführt werden. Der äußere Wärmewiderstand kann durch Belag, Materialabtrag oder Materialumwandlung (z.B. Korrosion) der mediumsberührenden Flächen des Sensors beeinflusst werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn bei der Überwachung ein Vergleich zwischen Ist- und Referenzwerten für Leistungskoeffizienten oder der Beziehung zwischen Leistungskoeffizenten bei dem ermittelten Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder einer davon abhängigen Größe erfolgt.
Die Überwachung hinsichtlich einen Drift kann besonders vorteilhaft nach folgenden Schritten erfolgt

E) Vergleich zwischen beiden Leistungskoeffizienten unter Ermittlung eines Istwertes eines Vergleichswertes der beiden Leistungskoeffizienten;
F) Abfrage eines Sollwertes, insbesondere eines unteren und eines oberen Sollwertes, in Abhängigkeit von der in Schritt D) ermittelten Größe aus einer Datenbank und
G) Vergleich zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Vergleichswertes.

Die Abfolge dieser Schritte ist nicht zwingend in der angegebenen alphabetischen Reihenfolge vorgegeben, sondern sie kann variieren.
Um den Rechenaufwand gering zu halten, kann der Vergleichswert berechnet, vorzugsweise durch Differenzbildung oder Quotientenbildung der Leistungskoeffizienten der ersten und der zweiten Heizeinrichtung ermittelt, wird. Die Berechnung kann z.B. modellbasiert erfolgen.
Der Drift ist quantifizierbar. Um dem Nutzer eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Messung zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn der Umfang bzw. das Ausmaß des Driftes ermittelt wird.
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsrichtung mit einem Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 14, die folgenden Schritte auf:

A) Ermittlung einer Temperatur durch den ersten Temperatursensor;
B) Ermittlung einer Temperatur durch den zweiten Temperatursensor; und
C) Ermittlung der Strömungsrichtung aus den beiden Temperaturen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn die Ermittlung der Strömungsrichtung durch Vergleich der beiden Temperaturen, insbesondere durch Differenzbildung oder Quotientenbildung der ermittelten Temperaturen des ersten und des zweiten Temperatursensors und unter Gegenüberstellung mit einem Referenzwert erfolgt.
Ganz besonders vorteilhaft weist ein Durchflussmessgerät, insbesondere nach einem der Ansprüche 1–14, eine Auswerteeinheit auf, welche ausgestaltet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15–21.
Die Auswerteeinheit kann vorteilhaft mit einem Speichermedium kommuniziert, auf welchem die Datenbank mit den vorgenannten Referenzwerten gespeichert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Schnittansicht eines Messaufnehmers eines thermischen Durchflussmessgerätes;
2 Schnittansicht eines Prongs des Messaufnehmers;
3 Draufsicht auf einen Teilbereich des Messaufnehmers;
4 Vergrößerung der 3;
5 Perspektivansicht des Messaufnehmers;
6 Detailansicht des Messaufnehmers;
7 schematische Darstellung des Wärmebildes im strömenden Medium bei Einsatz des Messaufnehmers;
8 Diagramm der Temperaturdifferenz eines stromab- und stromaufwärtig angeordneten T-Sensors;
9 Wärmeverteilung über den T-Sensoren eines Prongs bei anliegender Strömung;
10 Temperaturverlauf über den Sensoren des Prongs der 9;
11 Diagramm der Änderung des Leistungskoeffizienten bei steigender Strömungsgeschwindigkeit;
12 Draufsicht eines Messaufnehmers eines zweiten erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes als Alternativaufbau gegenüber der 1;
13 Draufsicht eines Messaufnehmers eines dritten erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes als Alternativaufbau gegenüber der 1 und 12; und
14 Aufbau eines Prongs aus dem Stand der Technik.
14 zeigt eine Schnittansicht eines endständigen Abschnitts eines Messaufnehmers eines thermischen Durchflussmessgerätes aus dem Stand der Technik. Ein solcher Messaufnehmer ist üblicherweise mit einem Transmitter verbunden. Entsprechende Messgeräte mit Messaufnehmer und Transmitter u.a. von der Anmelderin seit vielen Jahren erfolgreich verkauft.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte, insbesondere im Bereich der Prozessmesstechnik, verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete beheizbare Widerstandsthermometer, die in, meist stiftförmigen Metallhülsen, sog. Stingers oder Prongs, die in zylindrischen Metallhülsen angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Für die industrielle Anwendung sind beide Widerstandsthermometer üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Widerstandsthermometer können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Widerstandsthermometer ist ein sogenanntes aktives Sensorelement, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Widerstandsthermometer selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten Widerstandsthermometer handelt es sich um ein sog. passives Sensorelement: Es misst die Temperatur des Mediums.
Die Widerstandsthermometer können einzeln oder beide als beheizbare Widerstandsthermometer ausgestaltet sind und beispielsweise ein Platinelement sein, wie es unter den Bezeichnungen PT10, PT100 und PT1000 auch kommerziell erwerblich ist.
Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät ein beheizbares Widerstandsthermometer so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometer einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Widerstands-thermometers wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als das beheizte Widerstands-thermometer, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Widerstands-thermometer abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Widerstandsthermometer erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung.
Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Widerstandsthermometers notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung, 't-switch', 't-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
In 14 ist die perspektivische Darstellung eines Sensorabschnittes eines thermischen Massenstrommessers bzw. eines thermischen Durchflussmessgerätes mit einem als erste Stifthülse 105 ausgebildeten Sensorelement mit einem ersten Ende 118, welches im Betriebszustand das Messmedium 103 berührt, gezeigt. Das zweite Ende der Stifthülse 105, welches in einem Gehäuse bzw. einem Grundkörper des Messaufnehmers bzw. einem Sensorhalter befestigt ist, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Der Stopfen 116 ist an der Stirnseite der Stifthülse 105, also an ihrem ersten Ende 118, mit ihr verschweißt. Der Stopfen 116 und ein Distanzstück 113 bilden hier ein einteiliges, monolithisches Bauteil. Das Distanzstück 113 steht in engem Kontakt zur Innenseite 122 der Stifthülse 105. Ein Widerstandsthermometer 107 ist auf das Distanzstück 113 gelötet. Die erste Oberfläche des Widerstandsthermometers 107 steht, wie in 14 erkennbar, somit in engem Kontakt mit dem Distanzstück 113. Dadurch ist eine gute Wärmeleitung vom Messmedium 113 bis zum Widerstandsthermometers 117 gewährleistet. Die zweite Oberfläche 111 des Widerstandsthermometers 107 steht frei im Raum, welcher durch die Stifthülse 105 begrenzt wird.
Der Sensor weist zudem eine zweite Stifthülse 104 als Sensorelement auf. In diese Stifthülse wurde durch ihr offenes erstes Ende 119 ein Distanzstück 112 eingeführt. Dieses bildet mit der Stifthülse 104 eine Presspassung. Das Distanzstück 112 wurde bei der Montage mittels eines Stopfens 115 in Richtung eines nicht dargestellten zweiten Endes der Stifthülse 104 vorgeschoben. Der Stopfen 115 selbst bildet mit der Stifthülse 104 eine Lospassung und ist an ihrem ersten Ende 119 mit ihr mittels eines Laserschweißverfahrens verschweißt. Das Distanzstück 112 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material. Es hat die Form eines Zylinders mit einer über die gesamte Zylinderhöhe, in der Längsachse verlaufende Nut 125 mit rechteckigem Querschnitt. Am „Boden“ der Nut 125, also auf der Oberfläche der Nut 125, welcher keine weitere Oberfläche der Nut 125 gegenüberliegt, ist ein Widerstandsthermometer 106 angelötet. Die zweite Oberfläche 110 des Widerstandsthermometers 106 ist frei.
Der freie Raum in den Stifthülsen 104, 105 wird bevorzugt mit einem geeigneten, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllmaterial gefüllt bzw. vergossen. Dadurch wären die zweiten Oberflächen 110 der Widerstandsthermometer 106, 107 mit Füllmaterial bedeckt. Das Füllmaterial, wie auch eine Kontaktierung der Widerstandsthermometer 106, 107 mit Kabeln, insbesondere über die Zugentlastung, sind hier ebenfalls nicht dargestellt. Die Darstellung in 1 zeigt zwei verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung. Der beheizbare Widerstandsthermometer ist nicht auf die gezeigte Variante beschränkt. Beide Widerstandsthermometer sind vertauschbar. Zudem ist seitlich am Widerstandsthermometer eine Zugentlastung 124 für nicht dargestellte Kabel angeordnet.
Die Distanzstücke 112, 113 weisen ebenfalls mindestens zwei Oberflächen auf. Die erste Oberfläche des Distanzstücks 112, 113, auf welcher eine erste Oberfläche des Widerstandsthermometers 106, 107 angebracht wird, ist kongruent zu dieser ausgebildet. Erste Oberfläche des Widerstandsthermometers 106, 107 und erste Oberfläche des Distanzstücks 112, 113, auf welcher die erste Oberfläche des Widerstandsthermometers 106, 107 angebracht wird, bilden somit näherungsweise ein Positiv und ein Negativ. Gleichermaßen ist die zweite Oberfläche des Distanzstücks 112, 113 zur Innenseite 121, 122 der Stifthülse 104, 105 ein Negativ. Ist also die Innenseite 121, 122 der Stifthülse 104, 105 rohrförmig, ist die zweite Oberfläche des Distanzstücks 112, 113 entsprechend gekrümmt. Sowohl die erste Oberfläche des Widerstandsthermometers 106, 107 und die erste Oberfläche des Distanzstücks 112, 113 stehen in engem Kontakt, als auch die zweite Oberfläche des Distanzstücks 112, 113 und die Innenseite 121, 122 der Stifthülse 104, 105 stehen in engem Kontakt.
Durch die Montage der Widerstandsthermometer 106, 107 durch das jeweilige zweite Ende 117, 118 der Stifthülse 104, 105 ist die Lage der Widerstandsthermometer 106, 107 in der Stifthülse 104, 105 zum Messmedium hin reproduzierbar.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 1 bzw. Sensorabschnitts eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgerätes.
Zusätzlich zu den bereits aus 14 bekannten Sensorelementen bzw. Prongs 2 und 4 weist der Sensor 1 ein weiteres Sensorelement 3 auf. Der Sensor 1 weist einen Grundkörper mit einer Achse 5A auf mit einer mediumszugewandten Oberfläche 5. Diese Oberfläche 5 kann, muss jedoch nicht, mediumsberührend sein. Jedes der Sensorelemente 2, 3 und 4 weist eine Metallhülse mit jeweils einer Achse B, C oder D auf, welche mittig durch die jeweilige Metallhülse verläuft. Die Metallhülse steht in Richtung der jeweiligen Achse B, C oder D aus der Oberfläche 5 des Grundkörpers in Richtung des Mediums hervor. Die Länge der Sensorelemente 2, 3 und 4 ausgehend von der Grundfläche 5 für die drei Sensorelemente gleich.
Die Sensorelemente 2 und 4 weisen vorzugsweise einen zu 14 analogen Aufbau auf. Sie dienen der Durchflussmessung. Das zentrale Sensorelement 3 ermöglicht eine Detektion der Strömungsrichtung FL und dient überdies zur Drifterkennung.
Der konstruktive Aufbau der Sensorelemente 2–4 und insbesondere des Sensorelements 3 wird anhand der 2–4 näher erläutert.
2 zeigt eine axiale Schnittansicht des Sensorelements 3. Man erkennt dass die Metallhülse bzw. die metallische Stifthülse 12 des Sensorelements 3 über eine endständig geschlossene Grundfläche verfügt, welche durch eine endständige Platte 7 bereitgestellt wird. Diese Platte 7 steht mit dem Medium in Kontakt. Thermisch an die Platte 7 gekoppelt ist eine Temperatursensoranordnung 6. Dieser kann z.B. unmittelbar mit der Platte verbunden sein. Es ist z.B. auch möglich einen thermischen Koppelkörper, z.B. eine Kupferbrücke, zu nutzen.
3 und 4 zeigen einen Teilausschnitt S1 der 1. Darin ist der Horizontalschnitt des Sensorelements 2 und 3 dargestellt. Das Sensorelement 2 weist in Analogie zur Stifthülse 104 der 14 eine Metallhülse 8 auf. In dieser Metallhülse sind ein Distanzstück 12, ein Widerstandsthermometer 11 und eine Zugentlastung 10 für nicht dargestellte Kabel angeordnet. Zudem sind bestehende Freiräume mit Füllmaterial aufgefüllt.
Das Sensorelement ist ebenfalls als metallische Stifthülse 12 ausgebildet mit einer Grundfläche und einer Mantelfläche, wobei sich die Mantelfläche entlang der Achse D erstreckt. Die Grundfläche der Stifthülse 12 ist oval ausgebildet. In 3 erkennt man zudem die endständige Platte 7, welche Teil der metallischen Stifthülse ist. Auf der Platte 7 sind zumindest zwei Temperatursensoren 14 und 16 angeordnet. Zwischen diesen beiden Temperatursensoren 14 und 16 ist ein Heizelement 15 angeordnet. Dieser kann vorzugsweise auch als ein beheizbarer Temperatursensor ausgebildet sein. Die Temperatursensoren 14 und 16 sind im eingebauten Zustand des thermischen Durchflussmessgerätes in Strömungsrichtung FL hintereinander angeordnet. Die beiden äußeren Temperatursensoren 14 und 16 dienen dabei lediglich der Temperaturmessung.
5 und 6 zeigen den Sensor 1 in einer Perspektivansicht. Man erkennt die Sensorelemente 2–4 und die darin angeordneten Temperatursensoren oder Heizelemente 11 und die Temperatursensoranordnung 6. Zumindest eines der Sensorelemente 2 oder 4 dient dabei als Heizer und das andere Temperatursensor. Es ist allerdings auch bekannt, bei zwei beheizbaren Temperatursensoren die Heiz- und Messfunktion wechselweise zwischen den beiden Sensorelementen 2 und 4 umzuschalten. Die Sensorelemente 2 und 4 sind jeweils mit Stopfen 17 endständig verschlossen.
Anhand der 7–11 werden die Funktionen beschrieben, um welche das thermische Durchflussmessgerät ergänzt wurde. Eine erste der Funktionen ermöglicht die Detektion der Strömungsrichtung oder zumindest einer Strömungsrichtungsänderung. Eine zweite der Funktionen ermöglicht die Drifterkennung des Sensors und die Ermittlung einer Fehlmessung durch Quantifizierung des Driftfehlers.
Die Strömungsrichtung kann durch eine Auswertung eines Temperaturprofils, welches sich über der Temperatursensoranordnung 6 des Sensorelements 3 ausbildet, ermittelt werden. Der Sensor 1 ist derart in einer Rohrleitung angeordnet, dass die Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Temperatursensoren 14 und 16 im Wesentlichen achsparallel zur Rohrachse der Rohrleitung ist. Dadurch sind die Temperatursensoren 14 und 16 und der zwischen den Temperatursensoren angeordnete Heizer 15 in oder entgegen der Strömungsrichtung zueinander ausgerichtet. Die Temperatursensoren und der Heizer 14–16 sind vorzugsweise innerhalb des Sensorelements 3 angeordnet und stehen somit nicht in direktem Kontakt mit dem Medium.
Der Heizer gibt eine konstante Wärmemenge an das Medium ab. Diese Wärmemenge wird teilweise zum Temperatursensor transportiert. Die Transportrichtung der Wärme entspricht der Strömungsrichtung FL. In 7 und 8 ist eine Strömungsrichtung FL dargestellt. Die Temperatursensoren sind in 7 Die Strömung FL trifft zunächst auf den Temperatursensor 16, anschließend auf den Heizer 15, also auf ein Heizelement oder ein beheizten Temperatursensor, und anschließend auf den Temperatursensor 14. Dabei wird am Temperatursensor 16 eine Temperatur T1 des Messmediums ermittelt. Sofern das Messmedium den Heizer 15 überströmt, wird das Messmedium erwärmt. Entsprechend misst der Temperatursensor 16 eine gegenüber dem Temperatursensor 14 leicht erhöhte Temperatur T2. Der Temperaturunterschied zwischen der Mediumstemperatur vor und nach dem Heizer aufgrund der aufgenommenen Wärme kann qualitativ genutzt werden zur Ermittlung der Strömungsrichtung.
In 8 ist die Strömungsgeschwindigkeit über der Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen T2 und T1 dargestellt. Dabei ist die Temperaturdifferenz einerseits als T1 – T2 (Kurve II) als auch als T2 – T1 (Kurve I) dargestellt. Die hier dargestellten Temperaturdifferenzen zwischen den detektierten Temperaturen an den Temperatursensoren liegen zwischen 0,1 bis 0,25 K.
Wie man erkennt, steigt die Temperaturdifferenz der Kurve I zunächst bei geringen Durchflüssen an. Dies kann damit erklärt werden, dass ein stetiger Abtransport des erwärmten Mediums vom Heizer in Richtung des Temperatursensors 14 erfolgt. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit erwärmt sich das Medium in einem geringeren Umfang beim Überströmen des Heizers. Folglich sinkt die Temperaturdifferenz. Sie ist allerdings hinreichend groß um eine eindeutige Strömungsrichtung zu bestimmen. Die Kurve I stellt eine Situation in Strömungsaufwärtsrichtung dar, also wobei die Strömung zunächst auf den Temperatursensor 16, dann auf den Heizer 15 und schließlich auf den Temperatursensor 14 trifft. Entsprechend zur Kurve I erfolgt der Verlauf der Kurve II im Negativbereich.
9 ist eine Darstellung der Wärmeverteilung über der mediumszugewandten Oberfläche des Sensorelements 3. Man erkennt die Temperatursensoren 14 und 16, sowie den Heizer 15. Man erkennt anhand der Färbung der Oberfläche der Temperatursensoren, dass sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 14 und 16 einstellt. Diese ist abhängig von der Strömungsrichtung und der Strömungsgeschwindigkeit.
10 ist die Simulation einer Temperaturverteilung entlang der in 9 dargestellten Strömungsstrecke x, in der das Fluid über das Sensorelement 3 strömt. Dabei ist die Temperatur dargestellt, welche an den jeweiligen Streckenpunkten auftritt. Wie man erkennt, liegt das Temperaturniveau des Temperatursensors 14 über dem des Temperatursensors 16. Das Vorzeichen der Differenz der Temperatur des Temperatursensors 14 und der Temperatur des Temperatursensors 16 gibt die Strömungsrichtung an.
Wie zuvor erörtert, weist der Sensor 1 zwei Heizer auf. Dies sind in 5 die Sensorelemente 2 oder 4 und der Heizer 15 des Sensorelements 3. Mittels beider Heizer ist ein Leistungskoeffizient bestimmbar. Die Leistungskoeffizienten der beiden Heizer werden in Watt pro Kelvin angegeben und können, müssen jedoch nicht, gleich sein. In 5 sind die Leistungskoeffizienten unterschiedlich. Die Kurve III der 11 stellt den Leistungskoeffizienten des Heizers des Sensorelements 2 oder 4 bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums dar. Da der Leistungskoeffizient Pc (Powercoefficient) reynoldszahlabhängig ist, wächst dieser mit steigender Reynoldszahl an. Die Kurve IV der 11 stellt den Leistungskoeffizienten des Heizers des Sensorelements 3 bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums dar.
Anhand eines Vergleichs der beiden Leistungskoeffizienten kann eine Drifterkennung erfolgen. Eine Drifterkennung bedeutet, dass eines oder mehrere der Sensorelemente nicht mehr hinreichend genau misst. Der Drift kann z.B. durch Korrosion der Sensorhülse, durch Belag oder andere Effekte hervorgerufen werden. Ein Bespiel der Drifterkennung wird nachfolgend erläutert.
Die Differenzen bei unterschiedlichen Reynoldszahlen können werksseitig durch Messreihen z.B. bei der Sensorkalibration, durch Simulationen oder in anderer Weise bestimmt werden und als Datenbank hinterlegt werden. Die Datenbank kann vom Durchflussmessgerät abgefragt werden. Die Differenz zwischen den Leistungskoeffizienten der beiden Heizer sollte innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, z.B. ±5%, liegen.
Liegt die Differenz außerhalb dieses Toleranzbereiches, so liegt ein unerwünschter Drift des Sensors vor und er muss ggf. untersucht werden.
Selbstverständlich ist der vorbeschriebene Vergleich durch Differenzbildung nur eine von mehreren möglichen Vergleichen, welche durch mathematische Methoden ermöglicht wird. Ebenso ist eine Faktorisierung beider Leistungskoeffizienten bei der entsprechenden spezifischen Reynoldszahl durch Verhältnisbildung möglich. Auch hierbei erfolgt ein Vergleich des gemessenen Wertes mit einem Toleranzbereich bzw. einem oberen und unteren Sollwert.
12a und 12b sowie 13 stellen drei weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In 12a weist einen Sensor 21 mit zwei Sensorelementen 22 und 23 auf. Jedes der Sensorelemente 22 oder 23 weist eine Stifthülse mit einem Temperatursensor 22-1, 23-1 und einem Heizern 22-2, 23-2 auf. Selbstverständlich kann es sich jedoch auch bei dem Temperatursensor und dem Heizer auch um beheizbare Temperatursensoren handeln, welche jeweils Heizer oder als Temperatursensor betrieben werden können.
Eine Heizer-Temperatursensoranordnung eines ersten der Sensorelemente 22 ist derart angeordnet, dass das Messmedium zuerst auf den Temperatursensor 22-1 trifft und danach erst auf den Heizer 22-2. Die Heizer-Temperatursensoranordnung des zweiten der Sensorelemente 23 ist derart angeordnet, dass das Messmedium zuerst auf den Heizer 23-2 trifft und danach auf den Temperatursensor 23-1. Beide Sensorelemente 22 und 23 sind idealerweise derart ausgerichtet, dass das Strömungsmedium zeitgleich auf beide Sensorelemente 22 und 23 trifft. Vorzugsweise sind die Sensorelemente 22 und 23 in Strömungsrichtung FL parallel nebeneinander angeordnet.
In 12b ist ein weiter vereinfachter Sensoraufbau dargestellt. Dieser Sensor 31 ermöglicht es jedoch nicht eine Absolutaussage zur Strömungsrichtung, sondern lediglich eine Aussage bei auftretendem Strömungsrichtungswechsel. Es handelt sich dabei um eine Anordnung mit zwei in Strömungsrichtung FL nebeneinander angeordneten Heizern 32 und 33 und einem in Strömungsrichtung FL vor oder hinter einem der Heizer angeordneten Temperatursensor 34. Während der eine Heizer 32 in einer gesonderten Stifthülse abgeordnet ist und ein gesondertes Sensorelement 35 bildet, so kann der andere Heizer 33 vorzugsweise gemeinsam mit dem vor oder hinter dem Heizer 33 angeordneten Temperatursensor 34 in einer Stifthülse angeordnet sein und ein Sensorelement 36 bilden.
Diese Anordnung ermöglicht ebenfalls eine Drifterkennung aus den Leistungskoeffizienten der Heizer in Bezug auf den Temperatursensor. Allerdings kann ein Vergleich des Messmediums bei Strömungsrichtungswechsel in diesem Fall nur gegenüber zuvor gemessenen Temperaturen am Temperatursensor 34 erfolgen. Geht man von dem häufigen Fall aus, dass die Mediumstemperatur nahezu konstant ist, so wird der Temperatursensor 34, sofern er sich in Strömungsrichtung vor dem Heizer 33 befindet eine ebenso konstante Temperatur ermitteln. Falls die Temperatur steigt, so ist davon auszugehen, dass erwärmtes Messmedium zum Temperatursensor hintransportiert wurde. Dies ist jedoch nur der Fall, unter der Annahme, dass sich die Mediumstemperatur nicht geändert hat, dass die Strömungsgeschwindigkeit gegen Null tendiert oder dass ein Strömungsrichtungswechsel stattgefunden hat. Dies würde zu einer Fehlmessung führen, da die angebliche Mediumstemperatur durch den Temperatureintrag des Heizers verfälscht wäre. Eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit kann in diesem Fall eine Fehlermeldung ausgeben oder bei einem nur kurzzeitigen Strömungsrichtungswechsel die Messung kurzzeitig aussetzen, bis der Temperatursensor wieder eine konstante Mediumstemperatur detektiert.
13 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines Sensors 41 gemäß der vorliegenden Erfindung. Anders als in 5 wurde hierbei auf ein drittes Sensorelement 4 verzichtet. In einem ersten Sensorelement 42 ist ein Heizer in einer Stifthülse angeordnet. Ein zweites Sensorelement 46 weist, analog zum Sensorelement 3 der 5, einen ersten Temperatursensor 43, einen Heizer 44 und einen zweiten Temperatursensor 45 auf, welche in Strömungsrichtung FL hintereinander angeordnet sind. Dabei dient vorzugsweise der in Strömungsrichtung vordere Temperatursensor 43 als Referenztemperatur zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit des Messmediums bzw. zur Bestimmung des Leistungskoeffizenten. Der hintere Temperatursensor 45 dient zur Bestimmung der Strömungsrichtung.
Eine Temperaturbestimmung der Temperatur des Messmediums erfolgt somit durch einen der Temperatursensoren 43 oder 45 des zweiten Sensorelements 46.
Sowohl für den Aufbau der 12a als auch der 13 kann durch eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit vorzugsweise eine Zuordnung der niedrigeren Temperatur der zwei Temperaturen als Referenztemperatur erfolgen, welche durch die Temperatursensoren 22-1 und 23-1 oder 43 und 45 ermittelt wurden. Diese Referenztemperatur wird zur Durchflussermittlung genutzt. Welche der Temperatursensoren diese Referenztemperatur ermittelt hängt von der Strömungsrichtung des Mediums ab.
12a, 12b und 13 sind lediglich einige Ausführungsbeispiele. Selbstverständlich ist es möglich durch Nutzung weiterer Heizer oder Temperatursensoren andere Sensoranordnungen zu kreieren, welche eine Strömungsrichtungserkennung und eine Drifterkennung nach ähnlichem Prinzip ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Sensorelement
3: Sensorelement
4: Sensorelement
5A: Achse
5: Oberfläche
6: Temperatursensoranordnung
7: Platte
8: Metallhülse
10: Zugentlastung
11: Widerstandsthermometer
12: Stifthülse mit Ovalquerschnitt
14: Temperatursensor
15: Heizelement/Heizer
16: Temperatursensor
17: Stopfen
21: Sensor
22: Sensorelement
23: Sensorelement
22-1: Temperatursensor
23-1: Temperatursensor
22-2: Heizelement
23-2: Heizelement
31: Sensor
32: Heizer
33: Heizer
34: Temperatursensor
35: Sensorelement
36: Sensorelement
41: Sensor
42: Sensorelement
43: Temperatursensor
44: Heizer
45: Temperatursensor
46: Sensorelement
B: Achse einer Metallhülse
C: Achse einer Metallhülse
D: Achse einer Metallhülse
FL: Strömungsrichtung
S1: Teilausschnitt
T1: Temperatur
T2: Temperatur
I: Kurve (T1 – T2)
II: Kurve (T2 – T1)
III: Kurve (Leistungskoeffizient – Sensorelement 2 oder 4)
IV: Kurve (Leistungskoeffizient – Sensorelement 3)
x: Strömungsstrecke
103: Messmedium
104: Stifthülse
105: Stifthülse
106: Widerstandsthermometer
107: Widerstandsthermometer
110: Oberfläche
111: Oberfläche
112: Distanzstück
113: Distanzstück
115: Stopfen
116: Stopfen
117: Widerstandsthermometer
118: Ende
119: Ende
121: Innenseite
122: Innenseite
124: Zugentlastung
125: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2282179 B1 [0002, 0004]
DE 102007023840 A1 [0005, 0005, 0005, 0005, 0013, 0014]

Claims

Thermisches Durchflussmessgerät zur Ermittlung eines Massendurchflusses oder einer Durchflussgeschwindigkeit eines Mediums in einem Rohr bzw. einem Rohrabschnitt mit einem Sensor (1, 21, 31, 41) welcher zumindest zwei Sensorelemente (2, 3, 4, 22, 23, 35, 36, 42, 46) umfasst, wobei ein erstes Sensorelement (2, 23, 32, 42) eine Hülse (8) aufweist in welcher zumindest eine erste Heizeinrichtung (11, 23-2) vorzugsweise ein erstes beheizbares Widerstandsthermometer, angeordnet ist und wobei ein zweites Sensorelement (3, 22, 36, 46) eine Hülse (12) aufweist, in welcher ein erster Temperatursensor (16, 22-1, 34) zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Sensorelement (2, 3, 4, 22, 23, 35, 36, 42, 46) voneinander beabstandet sind und wobei die Mittelpunkte der Sensorelemente (2, 3, 4, 22, 23, 35, 36, 42, 46) eine Verbindungslinie definieren, welche einen Winkel von mehr als 45°, vorzugsweise mehr als 70°, besonders bevorzugt einen Winkel von 90° ± 5° zu einer Geraden, die parallel zu einer Rohrachse des Rohr bzw. des Rohrabschnitts verläuft, einnehmen, wobei der Sensor (1, 21, 31, 41) zumindest eine zweite Heizeinrichtung (15, 22-2, 33), insbesondere ein zweites beheizbares Widerstandsthermometer, aufweist, welche in Strömungsrichtung (FL) vor oder hinter dem Temperatursensor angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Heizeinrichtung (15, 22-2, 33) Teil des zweiten Sensorelements (3, 22, 36, 46) ist und gemeinsam mit dem ersten Temperatursensor (16, 22-1, 34) in der Hülse (12) des zweiten Sensorelements (3, 22, 36, 46) angeordnet ist.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten Temperatursensor (16, 22-1, 34) und der zweiten Heizeinrichtung (15, 22-2, 33) weniger als 1 cm, vorzugsweise weniger als 5 mm, besonders bevorzugt weniger als 0,3 mm beträgt.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Temperatursensor (16, 22-1, 34) und die jeweilige Heizeinrichtung (15, 22-2, 33) in einem Endbereich der Hülse (12) befinden, so dass die Wärmeübertragung überwiegend entlang einer endständigen Stirnfläche der Hülse (12) erfolgt.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen zweiten Temperatursensor (16) aufweist, wobei dieser zweite Temperatursensor (16) derart angeordnet ist, dass die zweite Heizeinrichtung (15) in Strömungsrichtung (FL) zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursensor (14, 16) angeordnet ist
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Temperatursensor (14 und 16) und die zweite Heizeinrichtung (15) derart zueinander angeordnet sind, dass sie auf derselben achsparallel zur Rohrachse verlaufenden Gerade angeordnet sind.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Temperatursensor (14 und 16), sowie die zweite Heizeinrichtung (15) in der Hülse (12) des zweiten Sensorelements (3) angeordnet sind.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (21) einen zweiten Temperatursensor (23-1) aufweist, welcher in Strömungsrichtung (FL) vor der ersten Heizeinrichtung angeordnet ist, sofern der erste Temperatursensor hinter der zweiten Heizeinrichtung oder welcher in Strömungsrichtung (FL) hinter der ersten Heizeinrichtung (23-2) angeordnet ist, sofern der erste Temperatursensor (22-1) vor der zweiten Heizeinrichtung (22-2) angeordnet ist.
Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein drittes Sensorelement (4) mit einer Hülse, insbesondere einer Stifthülse, aufweist, in welcher ein weiterer Temperatursensor angeordnet ist zur Bestimmung der Mediumstemperatur.
Verfahren zur Überwachung eines thermischen Durchflussmessgerätes, insbesondere eines Durchflussmessgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: A) Ermittlung eines Leistungskoeffizienten einer ersten Heizeinrichtung (11, 23-2) eines Sensors (1, 21, 31, 41); B) Ermittlung eines Leistungskoeffizienten einer zweiten Heizeinrichtung (15, 22-2, 33) des Sensors (1, 21, 31, 41); C) Ermittlung eines Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder einer davon abhängigen Größe anhand zumindest eines der beiden Leistungskoeffizienten; und D) Überwachung hinsichtlich eines Driftes des thermischen Durchflussmessgerätes anhand der Leistungskoeffizienten aus Schritt A) und B) und des Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder der davon abhängigen Größe aus Schritt C).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überwachung ein Vergleich zwischen Ist- und Referenzwerten für Leistungskoeffizienten oder der Beziehung zwischen Leistungskoeffizenten bei dem ermittelten Massendurchfluss, der Reynoldszahl, der Durchflussgeschwindigkeit und/oder einer davon abhängigen Größe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung hinsichtlich einen Drift nach folgenden Schritten erfolgt E) Vergleich zwischen beiden Leistungskoeffizienten unter Ermittlung eines Istwertes eines Vergleichswertes der beiden Leistungskoeffizienten; F) Abfrage eines Sollwertes, insbesondere eines unteren und eines oberen Sollwertes, in Abhängigkeit von der in Schritt D) ermittelten Größe aus einer Datenbank und G) Vergleich zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Vergleichswertes.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleichswert berechnet, vorzugsweise durch Differenzbildung oder Quotientenbildung der Leistungskoeffizienten der ersten und der zweiten Heizeinrichtung ermittelt, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang bzw. das Ausmaß des Driftes ermittelt wird.
Verfahren zur Bestimmung der Strömungsrichtung mit einem Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: A) Ermittlung einer Temperatur durch den ersten Temperatursensor (16, 22-1); B) Ermittlung einer Temperatur durch den zweiten Temperatursensor (14, 23-1); und C) Ermittlung der Strömungsrichtung (FL) aus den beiden Temperaturen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Strömungsrichtung (FL) durch Vergleich der beiden Temperaturen, insbesondere durch Differenzbildung oder Quotientenbildung der ermittelten Temperaturen des ersten und des zweiten Temperatursensors und unter Gegenüberstellung mit einem Referenzwert erfolgt.