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Die Erfindung betrifft einen thermischen Strömungsmesser zur Anwendung in der Prozessmesstechnik bei nicht-konstanten Mediumstemperaturen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Strömungsmessers.
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Strömungsmesser der vorgenannten Art, auch als kalorimetrische Strömungsmesser bezeichnet, erfassen die Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigen oder flüssigen Medien und sind seit Langem bekannt, bspw. aus der deutschen Patenschrift
DE 10 2004 055 101 . Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem Temperaturänderungen aufgrund des in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt werden. Nach dem King’schen Gesetz besteht eine Abhängigkeit zwischen der benötigten Heizleistung und dem Temperaturunterschied zwischen Sensorelement und Medium sowie der Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Gesetzmäßigkeit lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit ermitteln.
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An Geräte der Prozessmesstechnik werden Anforderungen gestellt, die in mehrerlei Hinsicht über diejenigen an andere Messgeräte hinausgehen. Hierzu zählen möglichst unterbrechungsfreier Einsatz über Monate und Jahre in rauer Prozessumgebung, ferner einfacher und standardisierter Informationsaustausch mit den Zielsystemen (Regler, Prozessleitsysteme usw.) sowie einfache Inbetriebnahme und Instandhaltung (vgl. V. Gundelach, L. Litz „Moderne Prozessmesstechnik", 1999, S. 10). Die Prozessumgebung, in dem ein derartiger Strömungsmesser arbeitet, ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass er bei nicht-konstanten Mediumstemperaturen eingesetzt wird. Es ist also notwendig, aus dem gemessenen Temperaturunterschied zwischen Sensorelement und Medium denjenigen Anteil zu separieren, der aus der geänderten Mediumstemperatur resultiert und damit nicht durch einen geänderten Wärmeabtrag infolge einer variierenden Strömungsgeschwindigkeit.
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Demgegenüber sind Messgeräte, die das Vorhandensein einer konstanten Umgebungstemperatur voraussetzen, wie z.B. eine Hitzdrahtsonde, unter den genannten Bedingungen nicht einsetzbar. Beispielhaft wird hier auf das
US-Patent 6,453,739 B1 verwiesen. Nur bei einer konstanten Umgebungstemperatur kann bei diesen Messgeräten eine geänderte Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms als alleinige Ursache für die erfasste Erwärmung oder Abkühlung des Heizelements bzw. Hitzdrahts angenommen werden.
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In der Prozessmesstechnik arbeitet man bei thermischen Strömungsmessern im Allgemeinen mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Messelement erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung und misst die eigentliche Messtemperatur, wobei sich die Messtemperatur aus der Heizleistung des Messelementes, der Temperatur des strömenden Mediums und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter misst häufig ein zweites Messelement eine Referenztemperatur. Entsprechend ihrer Funktion wird das erste Messelement häufig auch als Heizelement und das zweite Messelement als Temperaturelement bezeichnet.
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Typische Anwendungen sind Systeme mit zwei räumlich voneinander getrennten Messstellen für die Mediums- und die Heizelementtemperaturerfassung. Zu unterscheiden sind dabei weiterhin Systeme mit konstanter Heizleistung, bei denen die Messgröße die Übertemperatur ist, und Systeme mit konstanter bzw. geregelter Übertemperatur, bei denen die Messgröße die Heizleistung bzw. eine davon abgeleitete Größe ist. Die Erfindung geht im Folgenden von übertemperaturgeregelten kalorimetrischen Strömungsmessern aus.
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Bei den übertemperaturgeregelten kalorimetrischen Strömungswächtern gibt es Systeme mit zwei Messelementen – ein Messelement dient dann gleichzeitig als Heizelement und Temperaturfühler – und Systeme mit zwei Messelementen und separatem Heizelement. Die Regelung bei Systemen mit nur zwei Messelementen, wie es bspw. bei der o.g. Patentschrift
DE 10 2004 055 101 der Fall ist, erfolgt analog, indem der Sollwert für die einzuregelnde Übertemperatur von der Bestückung einer Messbrücke bzw. den entsprechenden Widerstandswerten abhängt. Die Speisespannung der Brücke wird dann so geregelt, dass das Heizelement durch Eigenerwärmung einen Wert annimmt, so dass die Brückenspannung gleich 0 Volt ist. Nachteilig ist hier u.a. der zu berücksichtigende Temperaturkoeffizient der Messbrücke, da der Sollwert für die Übertemperatur von der Mediumstemperatur abhängt.
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Systeme mit zwei Messelementen und separatem Heizelement können digital geregelt werden, so dass Nachteile der analogen Regelung vermieden werden können, jedoch erhöhen sich durch den höheren Schaltungsaufwand die Herstellkosten. Des Weiteren ist die Messgeschwindigkeit bei diesem Systeme nicht so schnell, wie bei einem System mit zwei Messelementen, da das Wärmefeld zwischen Heizelement und dem Temperaturfühler eine gewisse Zeit für seine Ausbreitung benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Messdynamik bei gleichzeitig geringen Herstellkosten zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Strömungsmesser mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Strömungsmessers nach Anspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß dient der zweite Temperaturfühler gleichzeitig auch als Heizelement und die beiden Temperaturfühler werden über jeweils eine Stromquelle mit einem Messstrom versorgt. Ausgehend davon ist nun der Kern der Erfindung, dass die beiden Temperaturfühler und damit auch das Heizelement mit einer Regeleinheit verbunden sind, die die Heizleistung des Heizelements so regelt, dass mittels eines Zeitglieds die Temperaturdifferenz ∆T = THeiz – TMedium zu einem festgelegten Zeitpunkt ∆tMess einen vorgegebenen Wert einnimmt. Dazu liefert die Regeleinheit ein Rechtecksignal, vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal), das dem zweiten Temperaturfühler zugeführt wird. Somit wirkt der zweite Temperaturfühler während der High-Phase des Rechtecksignals als Heizelement und in der Low-Phase – dann versorgt über die separate Stromquelle – als Temperaturfühler.
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Entscheidend ist nun, dass die Temperaturdifferenz ∆T periodisch nur zu dem festgelegten Zeitpunkt ∆tMess nach der Abschaltflanke des Rechtecksignals ermittelt wird. D.h. der erfindungsgemäße Strömungsmesser misst nur zu einem genau definierten Zeitpunkt während der Abkühlphase und zwar vergleichsweise kurz nach Beginn der Low- bzw. Abkühlphase.
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Die Regeleinheit vergleicht die gemessene Temperaturdifferenz ∆T mit einem vorgegebenen Wert ∆TSoll und verkürzt die Pulsbreite des PWM-Signals im Fall ∆T > ∆TSoll, so dass der zweite Temperaturfühler bzw. das Heizelement weniger lang geheizt wird, und verlängert die Pulsbreite des PWM-Signals im Fall ∆T < ∆TSoll, so dass der zweite Temperaturfühler bzw. das Heizelement länger geheizt wird.
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Die Erfindung lässt sich folglich so zusammenfassen, dass die Abkühlkurve von ∆T zum Zeitpunkt ∆tMess durch den Punkt ∆TSoll verlaufen soll und hierfür allein der Temperaturwert zu Beginn der Abkühlkurve entscheidend ist. Dieser Temperaturwert zu Beginn der Abkühlkurve wird von der Regeleinheit über die Dauer der Heizphase eingeregelt. Je höher die Strömungsgeschwindigkeit, desto länger muss geheizt werden, zum einen, weil bereits während der Heizphase der Wärmeabtrag entsprechend größer ist, aber auch weil der Temperaturwert von ∆T zu Beginn der Abkühlphase höher sein muss, um die entsprechend steiler fallende Abkühlkurve wieder zum Zeitpunkt ∆tMess durch den Punkt ∆TSoll verlaufen zu lassen. Für den umgekehrten Fall, also für geringere Strömungsgeschwindigkeiten, gilt genau das Gegenteil. Schließlich ist dann der Tastgrad des Rechteck- bzw. PWM-Signals ein Maß für die vorhandene Strömungsgeschwindigkeit.
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Dadurch, dass nur zu einem genau definierten Zeitpunkt kurz nach Beginn der Abkühlphase gemessen wird, also nicht die gesamte Abkühlphase abgewartet werden muss, ist die Messdynamik des Strömungsmessers sehr hoch, so dass der erfindungsgemäße Strömungsmesser auch in Umgebungen mit stark und schnell schwankenden Strömungsgeschwindigkeiten einsetzbar ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 einen prinzipiellen Schaltungsaufbau eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers,
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2a ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallele Verlauf der gemessenen Temperatur ∆T in einem ersten Szenario darstellt,
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2b ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallelen Verlauf der gemessenen Temperatur ∆T in einem zweiten Szenario (geringere Strömung als in 2a) darstellt, und
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2c ein Diagramm, das ein Rechtecksignal und den parallelen Verlauf der gemessenen Temperatur ∆T in einem dritten Szenario (größere Strömung als in 2a darstellt.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Strömungsmessers, wobei der Fokus auf die Darstellung der Erfindung gelegt ist und auf die Darstellung von für den Fachmann selbstverständlichen Maßnahmen, wie bspw. die Versorgung der Regeleinheit 10, verzichtet wurde.
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Rechts unten ist das Messrohr 1 dargestellt, durch das das zu messende Medium strömt. Die Strömung ist durch den Pfeil angedeutet. In dem Messrohr 1 und damit mit dem Medium in thermischen Kontakt stehend sind die beiden Temperaturfühler RSM und RH angeordnet. Der erste Temperaturfühler RSM erfasst die Temperatur des Mediums in einem nicht erwärmten, d.h. vom Heizelement unbeeinflussten Bereich des Mediums als Referenztemperatur TMedium und der Temperaturfühler RH erfasst die Temperatur THeiz des Heizelements. Beide Temperaturfühler RSM, RH sind vorteilhafterweise als Pt-Element ausgeführt, bevorzugt als Pt100.
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Das System wird gepulst betrieben, d.h. die Heizleistung wird von der Regeleinheit 10 über ein Rechtecksignal, in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise als PWM-Signal ausgeführt, an seinem Ausgang 10a zur Verfügung gestellt. Die Regeleinheit 10 ist dabei vorliegend bevorzugt als Mikrocontroller ausgeführt.
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Der Temperaturfühler RH wird dabei sowohl für das Messen der Temperatur als auch zur Erwärmung des Mediums verwendet, was durch den Schalter 12 zum Ausdruck kommen soll. Durch das Rechtecksignal, das dem zweiten Temperaturfühler RH zugeführt wird, wirkt der Temperaturfühler RH während der High-Phase als Heizelement und in der Low-Phase als Temperaturfühler. Der für die Temperaturerfassung nötige Messstrom wird während dieser Zeit durch die Stromquelle 13b zur Verfügung gestellt. Die Stromquelle 13a ist parallel dazu für die Versorgung des Temperaturfühler RSM vorgesehen.
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Die über den Pt-Elementen RSM und RH abfallenden Spannungen werden einem Differenzverstärker 14 zugeführt, dessen Ausgangssignal ∆T wieder dem Mikrocontroller 10 am Eingang 10b zugeführt wird. Folglich wird ΔT direkt aus der Messung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern RSM und RH bestimmt. Dies erfordert zwei gleichartige Stromquellen 13a und 13b, welche dafür sorgen, dass RSM und RH von niedrigen Messströmen gleicher Höhe durchflossen werden. Die Bestimmung der Temperaturdifferenz ΔT ist somit nur während der Zeit möglich, in der das Heizelement RH nicht mit einem hohen Heizstrom beaufschlagt wird, was durch die Messung der Temperaturdifferenz ΔT zu dem festgelegten Zeitpunkt ΔtMess nach der Abschaltflanke des PWM-Signals, also in der Low-Phase, gelöst wurde. Die Umschaltung zwischen Heiz- und Messbetrieb wird durch den Schalter 12 realisiert.
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Die Zuordnung des jeweiligen Tastgrads des PWM-Signals zur entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit erfolgt über ein Kennlinienfeld, welches im Mikrocontroller 10 hinterlegt ist. Die Temperaturabhängigkeit der Wärmetransporteigenschaften (Stoffparameter) des Mediums kann ebenfalls über dieses Kennlinienfeld abgebildet und somit kompensiert werden. Hierzu wird der Spannungsabfall über dem ersten Temperaturfühler RSM durch den Verstärker 15 verstärkt und dann dem Mikrocontroller 10 am Eingang 10c zugeführt, wo er zur Ermittlung der Mediumstemperatur herangezogen wird.
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In 2a ist das PWM-Signal (dicker Strich) des Mikrocontrollers 10 und der dazu parallele Verlauf der gemessenen Temperaturdifferenz ∆T (dünner Strich) bei einer durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit zu sehen. Die nachfolgenden 2b und 2c stellen jeweils Situationen dar, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit langsamer – 2b – bzw. höher – 2c – ist. Die drei PWM-Signale unterscheiden sich nur hinsichtlich ihrer Pulsbreite bzw. Tastgrade, d.h. das Verhältnis zwischen High- und Low-Phase. In 2a soll das Verhältnis zwischen High- und Low-Phase näherungsweise 1:1 sein, während in 2b im Vergleich zu 2a eine deutlich kürzere Pulsbreite bei entsprechend längerer Low-Phase und in 2c eine deutliche längerer Pulsbreite bei entsprechend kürzerer Low-Phase dargestellt ist.
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Die Messung der Temperaturdifferenz ∆T findet immer zu einem bestimmten und vorgegebenen Zeitpunkt ∆tMess nach der Abschaltflanke des PWM-Signals, d.h. ab Beginn der Low-Phase, statt. Dabei ist das System bestrebt, zu diesem Zeitpunkt ∆tMess eine vorgegebene Übertemperatur ∆TSoll zu messen. Diese könnte bspw. bei 2 K liegen. Bei trägen Temperaturfühlern kann die Periodendauer mehrere Sekunden und Δtmess einige Millisekunden betragen. Bei sehr schnellen Temperaturfühlern kann die Periodendauer auf wenige Millisekunden reduziert und auch Δtmess entsprechend verkürzt werden.
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Wenn sich ausgehend vom Szenario in 2a die Strömungsgeschwindigkeit verringert, würde das zunächst dazu führen, dass das Heizelement RH wegen des geringeren Wärmeabtrags zu stark geheizt wird, so dass nach der Abschaltflanke die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase zu hoch ist, um zum Zeitpunkt ∆tMess die erwartete Übertemperatur ∆TSoll von bspw. 2 K zu erreichen. Denn zum Zeitpunkt ∆tMess wird die erwartete Übertemperatur ∆TSoll zunächst überschritten. Der Mikrocontroller 10 erkennt diese Differenz und regelt die Heizspannung UH entsprechend nach, indem die Pulsbreite und damit die Heizdauer reduziert wird. Das nun kürzer bestromte Heizelement erwärmt das Medium in Folge dessen geringer, so dass die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase nun geringer ist. Diese Schritte wiederholt der Mikrocontroller 10 so lange, bis die von ihm eingestellte Pulsbreite, sprich Heizdauer, dazu führt, dass zum Zeitpunkt ∆tMess wieder die erwartete Übertemperatur ∆TSoll von bspw. 2 K gemessen wird. Diesen Zustand verdeutlicht 2b.
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Wenn sich ausgehend vom Szenario in 2a die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, würde das zunächst dazu führen, dass das Heizelement RH wegen des stärkeren Wärmeabtrags zu wenig geheizt wird, so dass nach der Abschaltflanke die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase zu niedrig ist, um zum Zeitpunkt ∆tMess die erwartete Übertemperatur ∆TSoll von bspw. 2 K zu erreichen. Denn zum Zeitpunkt ∆tMess wird die erwartete Übertemperatur ∆TSoll zunächst unterschritten. Der Mikrocontroller 10 erkennt diese Differenz und regelt die Heizspannung UH entsprechend nach, indem die Pulsbreite und damit die Heizdauer verlängert wird. Das nun länger bestromte Heizelement erwärmt das Medium in Folge dessen höher, so dass die Ausgangstemperatur für die Abkühlungsphase nun höher ist. Diese Schritte wiederholt der Mikrocontroller 10 so lange, bis die von ihm eingestellte Pulsbreite, sprich Heizdauer, dazu führt, dass zum Zeitpunkt ∆tMess wieder die erwartete Übertemperatur ∆TSoll gemessen wird. Diesen Zustand verdeutlicht 2c.
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Die Dauer der Heizphase, d.h. der Tastgrad des PWM-Signals, und damit die verbrauchte Heizleistung ist letztlich ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit.
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Der Vorteil dieses Strömungsmessers ist unter anderem, dass er universell für verschiedene Medien einsetzbar ist, da für eine Anpassung nur ein Softwareabgleich des Mikrocontrollers 10 notwendig ist. Des Weiteren ergibt sich eine geringere Verlustleistung der Schaltung durch den PWM-Betrieb. Insgesamt kann durch die Erfindung eine höhere Messdynamik erreicht werden, d.h. eine höhere Messgeschwindigkeit und eine verbesserte Linearisierung der Kennlinien.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messrohr
- 10
- Mikrocontroller
- 10a–c
- Eingang und Ausgänge des Mikrocontrollers
- 11
- Verstärker
- 12
- Schalter
- 13a
- Stromquelle
- 13b
- Stromquelle
- 14
- Differenzverstärker
- 15
- Verstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004055101 [0002, 0007]
- US 6453739 B1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- V. Gundelach, L. Litz „Moderne Prozessmesstechnik“, 1999, S. 10 [0003]
